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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINA PARA

HINCADO DE PILOTES DE ACERO

EDWIN FERNANDO FONTECHA RODRÍGUEZ

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO – MECÁNICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

BUCARAMANGA

2008

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINA PARA HINCADO DE PILOTES DE ACERO

EDWIN FERNANDO FONTECHA RODRÍGUEZ

Trabajo de Grado para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Director

ALFREDO PARADA CORRALES

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO – MECÁNICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

BUCARAMANGA

2008

DEDICATORIA A Dios, tu fe me acompaña siempre,

A mi madre, Teresita, tu entrega y amor incondicional realizan mis sueños,

de tus sabios consejos siempre aprenderé, te amo,

A mi padre, Andy, tu voz silenciosa ha madurado lo que crees de mí, se que

quisieras entregar más de ti,

A mis hermanos del alma, Deicy, Cristian y Geyson, sus rebeldías y consejos

me hacen muy feliz. En especial a ti Geysiton, por entregar todo sin esperar

nada a cambio, incluso lo que aún no tienes,

A mi novia, Karime, por creer tantísimo en mí, tu amor y apoyo infinito dio

vida y color desde el primer paso, con todo mi amor,

A mis amigos, por todos los momentos vividos, siempre los recordaré.

Edwin Fernando Fontecha Rodríguez.

AGRADECIMIENTOS

A Alfredo Parada Corrales, profesor y amigo sincero, gracias por todos sus

concejos y su aporte oportuno, su sabio conocimiento creó valores muy

importantes en mi vida profesional y personal.

A Ricardo Jaimes, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica UIS, por su

profesionalismo y ayuda sincera y desinteresada, dispuesto a colaborar con

soluciones creativas.

A Ciro Estupiñán, Gerente Mipce Ltda, familiar y amigo, su apoyo fue muy

importante en la culminación de este proyecto, gracias por toda su confianza

y respaldo.

A Eric Serna, por todo el apoyo sin ningún interés personal, gracias por

enseñarme el don de la paciencia.

A Wilder, tornero de la compañía, muchísimas gracias por sus consejos y

toda su ayuda.

A Toñito, su colaboración inmediata y oportuna, fueron muy importantes en el

desarrollo de esta experiencia tan importante para mi vida profesional.

A Don Ciro Estupiñan, por abrirme las puertas de su casa sin ninguna

condición y por sus sabios consejos.

A Ernesto Rincón, Gerente Electrónicas AZ por su respaldo y apoyo.

A Paola Guarín, directora de Fisioterapia, Universidad Industrial de

Santander, por su gran ayuda como asesora de ergonomía y enfermedad

profesional del trabajador.

A Gloria Inés Herrera, Gerente S&S Agroindustriales Ltda., por su ayuda

desinteresada, siempre dispuesta a colaborar.

Edwin Fernando Fontecha Rodríguez.

CONTENIDO Pág

INTRODUCCIÓN......................................................................................................................... 1

JUSTIFICACIÓN .......................................................................................................................... 3

1. OBJETIVOS DEL TRABAJO DE GRADO................................................................................... 4

1.1 OBJETIVO GENERAL............................................................................................................. 4

1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...................................................................................................... 4

1.1.1 Parámetros de diseño ..................................................................................................... 4

1.1.2 Características de la máquina: ........................................................................................ 5

2. DEFINICIÓN Y GENERALIDADES DEL HINCADO DE PILOTES A PERCUSIÓN.......................... 6

2.1 DEFINICIÓN ........................................................................................................................ 6

2.2 GENERALIDADES ................................................................................................................ 6

2.3 CARACTERÍSTICAS .............................................................................................................. 7

2.4 TIPOLOGÍA GENERAL DE CIMENTACIONES ........................................................................ 7

2.4.1 Objeto de una Cimentación: ........................................................................................... 7

2.4.2 Clasificación de pilotes.................................................................................................... 8

2.5 EQUIPO NECESARIO PARA LA EJECUCIÓN DE LAS OBRAS .................................................. 8

2.6 TRANSFERENCIA DE CARGA AL SUELO................................................................................ 9

2.6.1 Capacidad de carga del suelo........................................................................................... 9

2.6.2 Estimación de la Longitud de un Pilote......................................................................... 10

2.7 CONDICIONANTES GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS ........................................................... 13

2.7.1 Tipo de Suelo:................................................................................................................. 13

2.7.2 Compacidad de las Arenas............................................................................................. 13

2.7.3Consistencia de las arcillas.............................................................................................. 14

2.8 CARACTERÍSTICAS SUELO TIBÚ (Norte de Santander) ..................................................... 14

2.8.1Tamaño de Grano ........................................................................................................... 15

2.8.2 Resistencia de las arcillas según su clasificación............................................................ 15

2.9 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PILOTES DE ACERO ................................................... 15

2.9.1 Ventajas ......................................................................................................................... 15

2.9.2 Desventajas .................................................................................................................... 15

2.10 ECUACIONES PARA ESTIMAR LA CAPACIDAD DE UN PILOTE......................................... 16

2.10.1Carga Última de un pilote ............................................................................................. 16

2.10.2 Capacidad de Carga en la Punta del pilote: ................................................................. 16

2.10.3 Resistencia por fricción (Fuerza de Compresión Lateral): .......................................... 17

2.10.4 Capacidad Admisible de un Pilote................................................................................ 21

2.11 CAPACIDAD DE UN PILOTE DURANTE EL HINCADO ....................................................... 22

2.11.1 Deducción de la fórmula de capacidad última del pilote: ........................................... 22

3.CÁLCULO ACTUAL EN CAMPO ............................................................................................. 25

3.1 CÁLCULO REAL DE ............................................................................................................. 25

3.2 CAPACIDAD ADMISIBLE DEL PILOTE DURANTE EL HINCADO............................................ 27

3.3 ESFUERZO EN PILOTES DURANTE EL HINCADO ................................................................ 28

3.4 CÁLCULO DE LA CARRERA MÍNIMA DEL PILOTE ............................................................... 31

4. DISEÑO Y SELECCIÓN DE LAS PARTES DE LA MÁQUINA ..................................................... 36

4.1 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD ................................................................................ 37

4.2 VELOCIDAD DE FUNCIONAMIENTO .................................................................................. 38

4.3 SISTEMA DE ELEVACIÓN DE CARGA.................................................................................. 40

4.3.1 Bloque de Concreto ....................................................................................................... 40

4.3.2 Cable o Guaya ............................................................................................................... 41

4.3.3. Diseño del Malacate o Tambor de Arrollamiento (según DIN 4130)............................ 44

4.3.4 Selección de Rodamientos en el eje del tambor............................................................ 59

4.3.5 Polea Lisa........................................................................................................................ 61

4.3.6 Sombrerete o Asiento del Pilote.................................................................................... 62

4.3.7 Varilla guía del Bloque de Golpeo.................................................................................. 62

4.4 SISTEMA DE POTENCIA ..................................................................................................... 63

4.4.1 Motor ............................................................................................................................. 63

4.4.2 Embrague ....................................................................................................................... 64

4.4.3 Reductor de Velocidad................................................................................................... 66

4.4.4 Transmisión por correas ................................................................................................ 66

4.5 SISTEMA ESTRUCTURAL .................................................................................................... 70

4.5.1 Elementos del Trípode .................................................................................................. 70

4.5.2 Elementos del Bastidor (Trineo) .................................................................................... 72

4.5.3 Conexión Trípode‐Bastidor ............................................................................................ 75

4.6 SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL................................................................................. 76

4.6.1 Transmisión de Potencia del Embrague al Sistema de Carga ........................................ 76

4.6.2 Componentes Eléctricos y su tecnología ....................................................................... 76

4.6.3 Componentes Electrónicos y su tecnología ................................................................... 78

4.7 ANÁLISIS CAD – CAE ......................................................................................................... 82

4.7.1 Simulación de Elementos Diseñados CAE ...................................................................... 82

4.7.2 Planos............................................................................................................................. 89

5. DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LA MÁQUINA.......................................................... 97

5.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ].......................................................................................... 97

5.1.1 Motor ............................................................................................................................. 97

5.1.2 Embrague ....................................................................................................................... 97

5.1.3 Reductor de Velocidad................................................................................................... 98

5.1.4 Transmisión Por Correas en V........................................................................................ 98

5.1.5 Malacate o Tambor de Arrollamiento ........................................................................... 99

5.1.6 Bastidor o Trineo............................................................................................................ 99

5.1.7 Trípode......................................................................................................................... 100

5.1.8 Polea Lisa del Trípode .................................................................................................. 100

5.2 DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS COMPONETES DE LA MÁQUINA................................. 100

5.2.1 Sistema de Potencia..................................................................................................... 101

5.2.2 Sistema de Elevación de Carga .................................................................................... 101

5.2.3 Sistema Estructural ...................................................................................................... 102

5.2.4 Sistema de Control y Mando........................................................................................ 102

6. ANÁLISIS DE COSTOS PRESENTADO A MIPCE LTDA .......................................................... 104

CONCLUSIONES..................................................................................................................... 107

ANEXOS ................................................................................................................................. 117

LISTA DE FIGURAS

pág. Figura 1. Transferencia de carga de un pilote al suelo ............................................................. 9

Figura 2. (a) y (b) Pilotes de punta; (c) pilotes de fricción ...................................................... 11

Figura 3. Resistencia unitaria de fricción para pilotes ........................................................... 17

Figura 4. Aplicación del método λ en suelo estratificado....................................................... 19

Figura 5. Variación de λ con la longitud de empotramiento del pilote .................................. 20

Figura 6. Gráfica del Esfuerzo de Hincado del Pilote versus Número de Golpes................... 30

Figura 7. Datos del pilotaje conforme a las fórmulas ............................................................ 32

Figura 8. Comparación de carrera constante y variable para un mismo # de golpes............. 35

Figura 9. Vista de planta de la máquina con su nomenclatura............................................... 36

Figura10. Bloque o Porro utilizado para el pilotaje ................................................................ 41

Figura 11. Diagrama cinético martinete ................................................................................. 41

Figura 12. Guaya o Cable ........................................................................................................ 43

Figura 13. Dimensiones de tambor para cable metálico ....................................................... 44

Figura 14. Diagrama de fuerzas y de cuerpo libre del malacate o tambor............................. 49

Figura 15. Diagrama del malacate en el punto H.................................................................... 49

Figura 16. Diagrama de poleas de la transmisión, Puntos D y E............................................. 50

Figura 17. Diagrama de cargas del eje del tambor ................................................................. 53

Figura 18. Diagrama de esfuerzos normales: medio y alternativo ......................................... 53

Figura 19. Diagrama de esfuerzos cortantes: medio y alternativo......................................... 54

Figura 20. Diagrama de Malacate ........................................................................................... 60

Figura 21. Diagrama de Polea puesta en el malacate............................................................. 61

Figura 22. Diagrama de Flanged o sombrerete....................................................................... 62

Figura 23. Diagrama del Motor............................................................................................... 63

Figura 24. Diagrama del Embrague a) lado del motor b) lado del reductor ........................... 64

Figura 25. Diagrama del reductor de velocidad...................................................................... 66

Figura 26. Diagrama de las correas montadas en la transmisión ........................................... 66

Figura 27. Esquema final del trípode en SolidWorks .............................................................. 71

Figura 28. Acercamiento de conexiones principales del trípode ….…………………………………….71

Figura 29. Trípode armado en campo..................................................................................... 72

Figura 30. Bastidor hecho en SolidWoks con tubería y ángulos de varios calibres ................ 73

Figura 31. Bastidor con sus puntos de ubicación para los elementos de la máquina ............ 73

Figura 32. Apoyo y posiciones de las ruedas del trineo.......................................................... 74

Figura 33. Apoyos del malacate con sus respectivas correderas............................................ 74

Figura 34. Acople entre trineo y trípode con bases giratorias y de corredera ....................... 75

Figura 35. Unión entre el trípode y el bastidor mediante un acople cuadrado ..................... 75

Figura 36. a) Volante del motor y embobinado b) Embobinado ubicado en el motor........... 77

Figura 37. Fuente eléctrica con sus respectivas baterías en una caja de protección ............. 78

Figura 38. Equipo Electrónico para el control de la máquina................................................. 79

Figura 39. Conexiones directas del equipo a la fuente........................................................... 80

Figura 40. Plano Eléctrico del Equipo Electrónico................................................................... 81

Figura 41. Ploteo de Deformación del material...................................................................... 82

Figura 42. Ploteo de Esfuerzo Estático de la Pieza.................................................................. 83

Figura 43. Ploteo de Desplazamiento de la Pieza ................................................................... 83

Figura 45. Ploteo de Factor de Seguridad de la Pieza............................................................. 84


Figura 47. Ploteo de Deformación Unitaria de la Pieza .......................................................... 85




Figura 51. Ploteo de Deformación Unitaria de la Pieza .......................................................... 87



LISTA DE TABLAS

pág. Tabla No. 1 Clasificación de suelos ........................................................................................ 13

Tabla No. 2 Clasificación de las arenas ................................................................................... 13

Tabla No. 3 Clasificación de las arcillas ................................................................................... 14

Tabla No. 4 Eficiencia de Martillos Según la ENR.................................................................... 25

Tabla No. 5 Coeficiente de Restitución Según la ENR............................................................. 25

Tabla No. 6 Datos de prueba hecha en campo (sector la Silla Tibú N.S). ............................... 26

Tabla No. 7 Valor del esfuerzo de hincado del pilote ............................................................. 29

Tabla No. 8 Valores para 100oh cm= .............................................................................. 33

Tabla No. 9 Valores para 90oh cm= ................................................................................ 34

Tabla No. 10 Valores para 80oh cm=

.............................................................................. 34

Tabla No. 11 Valores para 70oh cm= .............................................................................. 35

LISTA DE ANEXOS

Pág. ANEXO A: COTIZACIONES Y FACTURAS DE COMPRA............................................................ 118

ANEXO B: CATÁLOGO EMBRAGUE ELÉCTRICO ..................................................................... 128

ANEXO C: REPORTE O INFORME TÉCNICO DE SIMULACIÓN CAE (COSMORWORKS 2006).. 130

GLOSARIO

CAOLINITA: consiste en capas repetidas de láminas elementales de sílice-gibsita, y se mantienen unidas entre sí por enlaces hidrogénicos

CARGA: peso sostenido por una estructura.

CIMENTACION: estructura sobre la cual se mantiene una edificación o construcción.

COHESIÓN: en la fuerza unión entre sus partículas y que se oponen al esfuerzo de cizalladura o cortante.

CONFIGURACIÓN LITOLÓGICA: Es la especificación del estrato de un suelo determinado.

DRENAJE: La capacidad del suelo para evacuar agua.

ENR: Engineering News Record

ESTRUCTURA: Manera como se unen sus componentes.

ILITA: consiste en una lámina de gibbsita enlazada a 12 láminas de sílice, una arriba y yo trabajo, y es denominada a veces y mica arcillosa.

PERMEABILIDAD: Indica si el suelo deja penetrar agua y aire.

PILOTE: Es un miembro estructural hecho de acero, concreto y/o madera, usados para construir cimentaciones de pilotes.

PLASTICIDAD: es la facilidad que tiene un suelo para ser deformado rápidamente sin romperse o desmenuzarse, manteniendo esta deformación una vez que sea suprimido la fuerza aplicada.

POROSIDAD: Mide la capacidad de retención de agua y nutrientes.

PROFUNDIDAD EFECTIVA: Distancia hasta la que pueden llegar las raíces sin encontrar barreras.

RESISTENCIA: fuerza que se opone al movimiento de una máquina. Elemento que dificulta el paso de una corriente.

MALACATE: Torno Horizontal o tambor de arrollamiento utilizado para levantar grandes pesos.

SOMBRERETE: Flanged o brida utilizada para bloquear el paso de una varilla de guía del bloque de concreto que distribuye uniformemente la carga.

TEMPORIZADOR: Dispositivo utilizado para retardar una señal eléctrica de un circuito.

TEXTURA: Contenido de arena, limo y arcilla.

RESUMEN TÍTULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINA PARA HINCADO DE PILOTES DE ACERO* AUTOR: Edwin Fernando Fontecha Rodríguez** PALABRAS CLAVES: Diseño y Construcción, Mecánica, Máquina, Hincado, Pilotes. DESCRIPCIÓN: El objetivo de este proyecto es el diseño y la construcción de una máquina para el hincado de tubos en el sector petrolero. Dicha necesidad surgió de los análisis realizados a los mecanismos empleados actualmente para llevar a cabo esta labor en el sector de Tibú, Norte de Santander. Las cuadrillas de trabajadores se exponen a riesgos laborales y lesiones osteomusculares. Asimismo, esta situación conlleva a aumentar los costos en la ejecución de contratos. Dadas las razones mencionadas anteriormente, se piensa en la construcción de una máquina que facilite el trabajo de las personas que laboran en dicha zona del país. Para tal fin se hace un desplazamiento al lugar de interés y es allí donde, con la colaboración de la empresa Mipce Ltda. (Empresa de mantenimiento industrial petrolero), se toman datos y se evalúa el problema; para esto se hace un vídeo como prueba sustancial para complementar con otras disciplinas. A su vez, se buscaron los recursos necesarios (económicos, humanos y logísticos) para llevar a cabo el proyecto. Para el diseño de la máquina se tuvo en cuenta que fuese segura, liviana, resistente y económica. Así fue que con la ayuda del director del proyecto y una buena comunicación con la empresa se obtuvo un buen diseño que a la hora de construir tuvo muy pocos cambios. En la elaboración de la máquina se filtraron ideas creativas por parte del personal técnico, tomando decisiones acertadas que mejoraron la formación integral como ingeniero y el fortalecimiento entre la universidad y la industria.

*Trabajo de Grado **Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ciencias Físico – Mecánicas. Escuela de Ingeniería Mecánica. Ing. Alfredo Parada Corrales.

SUMMARY TITLE: DESIGN AND CONSTRUCTION OF MACHINE TO STUCK OF PILES OF STEEL* AUTHOR: Edwin Fernando Fontecha Rodriguez** KEY WORDS: Design and Construction, Mechanics, Machine, Stuck, Piles. DESCRIPTION The objective of this project is the design and the construction of a machine for the poked one belonging to pipes at the oil sector. This need happened of analyses accomplished to mechanisms used at present to take to end this work in Tibú sector, Santander's North. The gangs of laborers expose themselves to labor risks and injuries osteomusculares. Too, this situation entails to increase the costs in the execution of contracts. Once the mentioned before reasons were given, thinks about him at the construction of a machine that he make the work of the people that labor at the country's the aforementioned zone easy. A displacement is done to the place of concern for such end and it is, with the company collaboration Mipce Ltda at the point where. ( company of maintenance oil industrial), they take data and the problem is evaluated; Ad hoc a video is made by way of proof substantial to complement with another disciplines. In turn, they were coming in for the necessary resources (economic, human and logistic) to accomplish the project. For the machine's design it was had in account that it be safe, light, resistant and economic. Thus he went than with the help of the director of the project and a good communication with the company obtained a good design that to construct had to the hour very few changes itself. Creative ideas for part of the technical staff, taking correct decisions that the integral formation like engineer and the strengthening among the university and the industry improved leaked in the elaboration of the machine.

* Degree Work. ** Industrial University of Santander. Physical-Mechanical Engineering Faculty, Mechanical Engineering School, Eng. Alfredo Parada Corrales.

INTRODUCCIÓN

El hincado de pilotes en el campo petrolero de la región del Norte de Santander (lugar donde nació la necesidad) se emplea para sostener tuberías que transportan petróleo, gas y agua para inyección de pozos. Esta operación es realizada a percusión con un martillo de 100 kilogramos, aplicando entre 50 y 70 golpes al tubo para un hincado adecuado.

Los pilotajes practicados en esta región se efectúan de manera lenta, dado que se realizan manualmente y con herramientas rudimentarias. En el mercado mundial existen diversas máquinas para esta operación, pero debido a las condiciones geográficas del país, al estado de las vías y al valor económico de dichas máquinas, se descarta por completo su uso.

Los problemas más significativos que surgen de dicha labor son:

*Riesgo de accidente inminente en los trabajadores, debido a la forma como se efectúa el hincado de pilotes a percusión.

*Teniendo en cuenta que toda actividad física que se haga por encima de los hombros o cerca a las rodillas generan una altísima posibilidad de lesiones osteomusculares por trauma acumulativo, causado por la actividad que realizan estas personas.

*Retraso de obras por descanso continúo de los trabajadores (generado por esfuerzo físico, fatiga y desórdenes músculo-esqueléticos relacionados con el trabajo).

*Pérdidas económicas de la compañía que realiza el trabajo.

El gobierno plantea que la solución a estos problemas se puede dar con trabajos de investigación que mejoren la calidad técnica y humana de nuestras empresas. Si bien es cierto que estas recomendaciones son alcanzables, lo es también el compromiso que el pueblo colombiano y en especial la academia, tiene con el país.

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En la formulación de estrategias exitosas para el sector petrolero, es indispensable disponer de tecnificación en maquinaria que esté al alcance de los empresarios aumentando así su productividad. Siendo consecuentes con el deber ciudadano y la preparación académica, se propone la construcción de una máquina que permita la fácil, rápida y segura operación de hincado de pilotes a percusión para la región de Norte de Santander.

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JUSTIFICACIÓN

La misión de la Universidad Industrial de Santander, atenta a resolver las necesidades sociales del país en materia de salud, mejoramiento de la calidad de vida de las personas y aumento del desarrollo industrial regional, son bases fundamentales para el desarrollo de este proyecto.

Así mismo, los trastornos músculo-esqueléticos se encuentran entre los problemas más importantes de salud en el trabajo y afectan la calidad de vida de la mayoría de las personas durante toda su vida. Igualmente afectan el desempeño laboral y generan altos costos a las empresas. Esta razón conlleva a mejorar los procesos industriales que disminuyan los riesgos al trabajador, mediante labores de menos esfuerzo físico.

Con el fin de disminuir el riesgo ergonómico y evitar accidentes de trabajo y enfermedad profesional, es necesario realizar controles de ingeniería que permitan rediseñar y/o modificar estaciones y áreas de trabajo que garanticen condiciones laborales seguras, protegiendo a los trabajadores de los riesgos y/o potenciales, presentes en el lugar de trabajo y que contribuyen a su bienestar físico, mental y social.

La máquina se diseñará teniendo en cuenta que lo más importante de un grupo de trabajo es la seguridad, mediante un freno manual como mecanismo de parada de emergencia, garantizando así un ambiente de trabajo seguro al reducir las posibilidades de accidente. Por otra parte, este mejoramiento representa para la empresa, una posición privilegiada por cumplimiento de las exigencias legales en seguridad, mediante la prevención y control de riesgos.

Un aspecto importante del proyecto es reducir la duración de un contrato, esto se consigue disminuyendo el requerimiento de trabajadores para operar la máquina, mejorando así la movilidad de las obras por aumento en la disponibilidad de personal requerido en tareas complementarias del hincado de pilotes. El proyecto no pretende reducir personal al equipo de trabajo, ya que siempre debe mantenerse una cuadrilla conformada por un capataz (supervisor) y cuatro obreros (tuberos) o también, un capataz, dos obreros, el soldador y el auxiliar del soldador, según el trabajo.

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1. OBJETIVOS DEL TRABAJO DE GRADO

1.1 OBJETIVO GENERAL

La misión de la Universidad Industrial de Santander es mejorar la calidad de vida de las personas y fomentar el desarrollo industrial del país, sustentado en estas bases, se pretende diseñar y construir, una máquina para hincado de pilotes de acero.

1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Mejorar la salud individual y colectiva de los trabajadores, eliminando las actividades físicas que producen lesión osteomuscular.

Diseñar la máquina utilizando herramientas computacionales: CAD - CAE.

Disponer de solo dos (2) personas para la operación de la máquina, el armazón actual requiere de cuatro (4) obreros.

Disminuir el tiempo del hincado de pilotes mínimo en un 20%, ya que la inversión de la máquina se justifica al reducir los costos actuales, generados por retrasos en la obra.

1.1.1 Parámetros de diseño:

Clasificación del suelo: clasificado en suelo fino y caracterizado por una composición principal de material limo-arcilloso. Su nivel freático (capa de agua subterránea) se encuentra a 2 metros de profundidad del nivel del suelo con un 100 % de humedad y después de 3 metros se compone de material arcilloso en un 100 %.

Cargas: la resistencia del terreno a la compresión simple: 25 a 50 kPa.

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Peso del bloque de concreto: 80 kg. Con carrera máxima de 2,2 m y 60 a 70 ciclos por tubo hincado.

Estimación de la Longitud del Pilote: 3,0 a 4,1 m.

Capacidad Portante Admisible del Pilote: 67 – 270 klb (300 – 1200 kN).

Fuerza Efectiva del Pilote: 195 kg.

Tipo de Motor: diesel, Monocilíndrico, 10 hp @ 1800 rpm.

1.1.2 Características de la máquina:

Portátil y fácil de manipular.

Fuente de potencia: motor de combustión interna Monocilíndrico.

Embrague acoplado a la fuente motriz para control manual y automático.

Reductor de velocidad que sincronice el movimiento del bloque de concreto.

Disposición de un tambor de arrollamiento y un cable metálico para su operación.

Diseño modular en secciones que facilita la movilidad de la máquina.

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2. DEFINICIÓN Y GENERALIDADES DEL HINCADO DE PILOTES A PERCUSIÓN

2.1 DEFINICIÓN [1]

El hincado de pilotes a percusión, es una labor realizada mediante hinca en el terreno, por percusión sobre su cabeza, sin rotación, de pilotes de hormigón armado, hormigón pretensado, acero o madera. La profundidad de hincado del pilote habrá de ser igual o mayor que ocho (8) veces el diámetro del mismo.

Aun más importante que el arte y la ingeniería mecánica envueltos en la construcción, resultan otros factores que aseguran el buen funcionamiento de la cimentación de pilotaje una vez terminada. Por lo tanto, el ingeniero que diseña la cimentación debe finalmente intervenir en la construcción y el ingeniero constructor en el proyecto. El método más antiguo y uno de los más ampliamente usados actualmente es por medio de una maza.

2.2 GENERALIDADES [3]

Los constructores orientales usaron durante centurias un bloque de piedra como maza; un grupo de obreros dispuestos en forma de estrella alrededor de la cabeza del pilote levantaban la piedra por medio de cuerdas que mantenían tirantes; por un movimiento rítmico de estirar y aflojar las cuerdas levantaban la piedra en el aire y guiaban el golpe hacia abajo, sobre la cabeza del pilote. Los romanos usaban un bloque de piedra que elevaban por medio de una cabria en forma de A, utilizando la energía de esclavos o caballos y guiaban su caída por medio de postes verticales.

El pilote se coloca entre las guías y debajo del martillo. A veces se coloca entre las guías, preferiblemente, piezas que pueden deslizarse y sirven para soportar lateralmente el pilote a la mitad o a las cuartas partes de su longitud.

Algunos equipos grandes se montan en una base de vigas en I que se apoyan en una armazón de acero y emparrillado de madera. Estos equipos sé trasladan haciéndolos resbalar sobre vigas o rodillos.

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2.3 CARACTERÍSTICAS [3]

La característica más importante de un equipo para la hinca de pilotes, desde el punto de vista del ingeniero, es su capacidad para guiar el pilote exactamente. Debe ser lo suficientemente fuerte y rígido para mantener el pilote y el martillo en su posición y con la inclinación fijada, a pesar del viento, las obstrucciones bajo el terreno y el movimiento del martillo.

La hinca de pilotes con maza es simple, pero muy lenta y se usa solamente en pequeños trabajos en los que el constructor tiene que improvisar su equipo o cuando no esta justificado el costo del traslado de equipos pesados.

En la mayoría de los martillos para hinca de pilotes es necesario usar sombreretes, es decir protectores para distribuir la fuerza del golpe del martillo en la cabeza del pilote. El sombrerete se hace de acero fundido.

Para evitar un daño inminente en los pilotes de aceroel esfuerzo límite de compresión en el hincado será el 90% (noventa por ciento) del esfuerzo de fluencia del material del pilote.

2.4 TIPOLOGÍA GENERAL DE CIMENTACIONES [5]

2.4.1 Objeto de una Cimentación:

Transmitir al terreno de forma amortiguada las cargas estructurales que no se pueden transmitir directamente al mismo por ser un material de baja resistencia y elevada deformabilidad.

La cimentación mediante pilotes es necesaria cuando la cimentación superficial o semiprofunda no es posible por razones técnicas, de dimensiones o económicas.

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2.4.2 Clasificación de pilotes:

a) Por la forma de transmitir la carga al terreno: Se considera Flotantes o de rozamiento, su transmisión es a lo largo del pilote al suelo deformable al que se adhiere por fuste. b) Por la forma de puesta en obra con respecto al terreno: Se clasifica como pilote de extracción – desplazamiento. Se excava previamente un volumen de suelo inferior al que ocupará el pilote terminado. Se hace para reducir el coste de la hinca en un terreno medio. c) Por el lugar de fabricación y la forma de ejecución: Este es Prefabricado. En este caso se transportan desde una planta de fabricación y se hincan por percusión, por presión o vibración, mediante gatos hidráulicos, roscados al terreno o, se instalan en perforaciones previamente perforadas. d) según el material: Metálicos. Aprovecha perfiles laminados. Poseen velocidad de oxidación lenta.

2.5 EQUIPO NECESARIO PARA LA EJECUCIÓN DE LAS OBRAS [5]

Los equipos para la hinca de pilotes serán, por lo general, martinetes provistos de mazas que golpean las cabezas de los pilotes, y de dispositivos de guía que aseguran que los pilotes no sufrirán desviaciones ni golpes descentrados que puedan provocar una hinca defectuosa o su rotura. Las mazas empleadas pueden ser de caída libre, o bien de simple o doble efecto. El peso de las dos primeras estará proporcionado al peso del pilote; siendo preferible que, en el caso de pilotes de madera o metálicos, el peso de la maza sea aproximadamente igual al del pilote, y no menor de la mitad (1/2) de éste. En pilotes de longitud superior a treinta metros (30 m) podrá admitirse que el peso de la maza sea igual al necesario para una longitud de pilote de quince metros (15 m).

En todo caso el tipo de maquinaria a emplear y la forma de utilizar la misma vendrá recogida en el "Estudio de ejecución del pilotaje" que deberá haber aprobado el Director de las Obras.

9

2.6 TRANSFERENCIA DE CARGA AL SUELO [1]

El mecanismo de la transferencia de carga de un pilote al suelo es complicado. Para entenderlo, considere un pilote de longitud L (figura 1). La carga sobre el pilote es incrementada gradualmente en la superficie del terreno. Parte de esta carga será resistida por la fricción lateral desarrollada a lo largo del pilote, y parte por el suelo debajo de la punta del pilote. Si se efectúan mediciones para obtener la carga tomada por el fuste del pilote Qs, a cualquier profundidad, la naturaleza de la variación depende del perímetro de la sección trasversal del pilote, de la profundidad y del tipo de suelo.

Figura 1. Transferencia de carga de un pilote al suelo [1]

2.6.1 Capacidad de carga del suelo:

El estrato superior del suelo es altamente comprensible y demasiado débil para soportar la carga transmitida por la estructura, se usa para transmitir la carga al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más fuerte.

La resistencia a la carga estructural que es aplicada se deriva principalmente de la resistencia por fricción desarrollada en la interface suelo-pilote.

10

Cimentación superficial: Es aquella que posee un una razón de profundidad de empotramiento a ancho menor o igual a 4.

Cimentación profunda: es aquella que posee una razón de profundidad de empotramiento a ancho mayor a 8.

- Cimentaciones superficiales: D/B < 4 - Cimentaciones semiprofundas: 4 < D/B < 8 a 10 - Cimentaciones profundas: D/B > 8 a 10 Donde D: longitud del pilote

B: diámetro del pilote

2.6.2 Estimación de la Longitud de un Pilote:

Seleccionar el tipo de pilote por usar y estimar su longitud necesaria son tareas bastante difíciles que requieren buen juicio. Los pilotes se dividen en dos grupos, dependiendo de sus longitudes y de los mecanismos de transferencia de carga al suelo como:

Pilotes de punta

Si los registros de perforaciones del suelo establecen la presencia de capas de roca o material rocoso en un sitio dentro de una profundidad razonable, los pilotes se pueden extender hasta el estrato rocoso (figura 2a). En éste caso, la capacidad última de los pilotes depende completamente de la capacidad de carga del material subyacente; los pilotes son llamados entonces pilotes de punta. En la mayoría de estos casos, la longitud necesaria del pilote se establece fácilmente.

11

Figura 2. (a) y (b) Pilotes de punta; (c) pilotes de fricción [1]

Si en vez de un lecho de roca se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se extenderán unos pocos metros dentro del estrato duro (figura 2b). Los pilotes con pedestales se construyen sobre el lecho del estrato duro, y la carga última del pilote se expresa como

spu QQQ += (2.1)

Donde =pQ

carga tomada en la punta del pilote =sQ carga tomada por la fricción superficial desarrollada lateralmente en

el pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote)

12

Si sQ es muy pequeña, entonces

pu QQ ≈

En este caso, la longitud requerida para el pilote se estima exactamente si se dispone de los registros apropiados del la exploración del subsuelo.

Pilotes de Fricción

cuando no se tiene un estrato de roca o el material rocoso a una profundidad razonable en el lugar, los pilotes de punta resultan muy largos y ante económicos y para ese tipo de condición del subsuelo, los pilotes se hincan a través del material más blando a profundidades específicas (figura 2c). La carga última de esos pilotes se expresa por la ecuación (2.1). Sin embargo, si el valor de es relativamente pequeño,

su QQ ≈

Esos pilotes se llaman pilotes de fricción porque la mayoría de la resistencia se obtiene de la fricción superficial. Sin embargo, el término pilote de fricción, aunque usado frecuentemente en la literatura técnica, no es un buen nombre en suelos arcillosos, ya que la resistencia a la carga aplicada es también causada por adhesión.

La longitud de los pilote de fricción depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote. Para determinar las longitudes necesarias de esos pilotes, un ingeniero requiere tener un buen entendimiento de la interacción suelo-pilote, buen juicio y experiencia. Los procedimientos teóricos para calcular la capacidad de carga de los pilotes se presentan después de identificar las características del suelo de la región de estudio.

pQ

13

2.7 CONDICIONANTES GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS[3]

Se tendrán en cuenta como aspectos más relevantes: La configuración litológica de las formaciones presentes en el área, clasificando los suelos según los criterios expresados en las Tablas 1 a 3. 2.7.1 Tipo de Suelo:

Finas 0.06-0.20 mm

Medias 0.20-0.60 mm

Arenas(1)

Gruesas 0.60-2.00 mm

Finas 2.0-6.0 mm

Medias 6.0-20.0 mm

SUELOS GRUESOS

Con más del 50% de partículas distinguibles a simple vista (de tamaño igual o superior aproximadamente a 0.1 mm)

Gravas

Gruesas 20.0-60.0 mm

Finos 0.002-0.006 mm

Medios 0.006-0.020 mm

Limos

Gruesos 0.020-0.060 mm

SUELOS FINOS Con más del 50% de partículas no distinguible a simple vista (tamaño igual o inferior aprox. a 0.1 mm) Arcillas (2) < 0.002 mm

Tabla No. 1 Clasificación de suelos [3]

(1)En función de los datos de que se disponga de ensayos SPT pueden clasificarse las

arenas tal y como se indica en la Tabla No. 2. (2)En función de los datos de que se disponga

y de la resistencia a compresión simple pueden clasificarse las arcillas tal y como se indica

en la Tabla No.3

2.7.2 Compacidad de las Arenas

Clasificación Índice N del ensayo SPT

Muy floja < 4

Floja 4-10

Media 10-30

Densa 30-50

Muy densa >50 Tabla No. 2 Clasificación de las arenas [3]

14

2.7.3Consistencia de las arcillas

Clasificación Resistencia a compresión simple (kPa)

Muy blanda 0-25

Blanda 25-50

Media 50-100

Firme 100-200

Muy firme 200-400

Dura > 400

Tabla No. 3 Clasificación de las arcillas [3]

2.8 CARACTERÍSTICAS SUELO TIBÚ (Norte de Santander) [7]

La caracterización del suelo de Tibú está dada por una composición principal de material tipo limo-arcilloso. Su nivel freático (capa de agua subterránea) se encuentra a 2 metros de profundidad del nivel del suelo con un 100 % de humedad (permeabilidad muy alta) y después de 3 metros se compone de material totalmente arcilloso.

La arcilla consta de una mezcla de caolinita y minerales no cristalinos y posiblemente ilitas; estos últimos minerales requieren comprobación con rayos X.

Basado en la ASTM D-2487 el límite de tamaño de suelo separado (tamaño de grano) es menor a 0,0075 m.m. El alto contenido de humedad describe el terreno como limo orgánico arcilloso de alta plasticidad y se considera suelo orgánico de grano fino.

Teniendo en cuenta como aspectos más relevantes: La configuración litológica de las formaciones presentes en el área, clasificando el suelo según los criterios expresados en las tablas 1 a 3 podemos determinar la resistencia a la compresión simple.

15

2.8.1Tamaño de Grano

Según la tabla No. 1 de clasificación de suelos (2.7.1) El suelo de la región de Tibú (Norte de Santander) se clasifica en suelo fino con más del 50% de partículas no distinguibles a simple vista (tamaño igual o inferior aprox. a 0,1 mm).

2.8.2 Resistencia de las arcillas según su clasificación

Según la tabla No. 3 de consistencia de las arcillas (2.7.3). Para el tipo de suelo clasificado, la resistencia a la compresión simple es de 25 a 50 kPa.

2.9 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PILOTES DE ACERO [1]

2.9.1 Ventajas

Fácil de manipular respecto al corte y extensión a la longitud deseada.

Resiste altos esfuerzos de hincado.

Penetra estratos duros como gravas densas y roca blanda.

Alta capacidad de carga.

2.9.2 Desventajas

Material relativamente caro.

Alto nivel de ruido durante el hincado.

Susceptible a la corrosión.

Los pilotes H se dañan o reflexionan respecto a la vertical durante el hincado a través de estratos duros u obstrucciones mayores.

16

2.10 ECUACIONES PARA ESTIMAR LA CAPACIDAD DE UN PILOTE [1]

2.10.1Carga Última de un pilote:

La capacidad de carga última de un pilote, uQ , está dada por una simple ecuación como la carga tomada en la punta del pilote, más la resistencia total por fricción (fricción superficial), derivada de la interface suelo-pilote:

spu QQQ += (2.1)

Donde =uQ capacidad de carga última del pilote

=pQ capacidad de carga en la punta del pilote

=sQ resistencia por fricción

El estudio de la capacidad de carga en la punta y de resistencia por fricción fue estudiada por Meyerhof, G.G.[17]

2.10.2 Capacidad de Carga en la Punta del pilote:

p p pQ A q= (2.2)

donde área de la punta del pilote

resistencia unitaria de punta

Como el suelo no contiene estrato duro o rocoso y al ser el pilote de sección trasversal hueca, se desprecia la capacidad de carga por punta del pilote:

0≈pQ su QQ ≈∴

pQ

pA =pq =

17

2.10.3 Resistencia por fricción (Fuerza de Compresión Lateral):

La resistencia por fricción o superficial de un pilote se escribe como:

fLpQs ..∑ ∆= (2.3)

Donde p = perímetro de la sección del pilote [m]

L∆ = longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes [m]

f = resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad. [kN/m2]

Figura 3. Resistencia unitaria de fricción para pilotes [1]

Resistencia por fricción en arcilla: [8]

Se dispone de varios métodos para obtener la resistencia unitaria por fricción (o superficial) de pilotes en arcilla. Existen tres procedimientos aceptados en la actualidad, para nuestro caso se elige el método Landa λ propuesto por Vijayvergiya y Fotcht, se basa en la hipótesis que el desplazamiento del suelo causado por el hincado de los pilotes resulta en una presión lateral

sQ

18

pasiva a cualquier profundidad y que la resistencia unitaria superficial promedio es:

)2'( uoprom cf += σλ (2.4)

Donde

=o'σ esfuerzo vertical efectivo medio para toda la longitud de Empotramiento [kN/m2]

=uc resistencia cortante media no drenada ( )0=φ

El valor de λ cambia con la profundidad de la penetración de pilote. La resistencia por fricción total se calcula como:

proms fLpQ ..=

Por lo tanto,

)2'(.. uos cLpQ += σλ (2.5)

Debe tenerse cuidado a la obtener los valores de o'σ y uc en suelo estratificado. La figura 4 ayuda a explicar la razón de esto. De acuerdo con la figura 4b, el valor medio de la resistencia cortante es:

LLcLc

c uuu

...)( )2()2()1()1( ++=

además,

2u

uqc =

donde uq = resistencia a la compresión simple.

19

Similarmente la figura 4c muestra la gráfica de la variación del esfuerzo efectivo con la profundidad. El esfuerzo efectivo medio es

LAAA

o...' 321 +++

=σ

donde =,...,, 321 AAA áreas de los diagramas del esfuerzo vertical efectivo.

Una forma práctica de hallar o'σ consiste en lo siguiente:

Si zDz o .'15 γσ =→≤

Si DDz o 15.'15 γσ =→≥

donde =z profundidad de hincado [m] D = diámetro del pilote [m] γ = peso específico del tipo de suelo [kN/m3]

Figura 4. Aplicación del método λ en suelo estratificado. [1]

20

Para nuestra aplicación, tenemos: 3 7,62D in cm= =

260 mkNqu = : Arcilla de consistencia media

230 mkNcu =∴

cmininD 3,114453.1515 ===

como Dz 15≤ , entonces

23

/75,152

75,1./18.' mkNmmkNzo === γσ

cmDp 94,23. == π

Figura 5. Variación de λ con la longitud de empotramiento del pilote (Según

McClelland, 1974) [1]

21

La longitud de empotramiento del pilote es: 1,75m ( 1,75 )z m= y de la figura 5 se obtiene el valor de λ:

44.0=∴λ Resolviendo la ecuación (2.5):

)30275,15(44,075,11094,23)2'(.. 2 xxxXcLpQ uos +=+= −σλ

13,96 _(1423 )sQ kN kgf=

Y con (2.1), tenemos:

13.96 _(1423 )u sQ Q kN kgf≈ =

Esta es la capacidad última que puede transferir un pilote al suelo identificado.

Numerosos estudios publicados tratan sobre la determinación de los

valores de pQ y sQ . Excelentes resúmenes de muchas de esas

investigaciones han sido proporcionados por Vesic (1977), Meyerhof (1976) y, Coyle y Castellano (1981). Esos estudios dan información al problema de determinar la capacidad última de los pilotes.

2.10.4 Capacidad Admisible de un Pilote

Después que la capacidad última total de un pilote se ha determinado al sumar la capacidad de carga de punta y la resistencia por fricción (superficial), debe usarse un factor de seguridad razonable para obtener la carga admisible total para cada pilote, o

uadm

QQFS

=

22

Donde admQ = capacidad de carga admisible para cada pilote

FS = factor de seguridad

El factor de seguridad usado, generalmente varía entre 2,5 y 4, dependiendo de las incertidumbres en el cálculo de la carga última

13.96 3.49 _(356 )4adm

kNQ kN kgf∴ = =

2.11 CAPACIDAD DE UN PILOTE DURANTE EL HINCADO [5]

Para desarrollar la capacidad de carga deseada, un pilote de carga por punta debe penetrar el estrato de suelo denso suficientemente o tener suficiente contacto con un estrato de roca. Este requisito no puede ser siempre satisfecho mediante el hincado de un pilote a una profundidad predeterminada porque los perfiles del suelo varían. Por esta razón, varias ecuaciones fueron desarrolladas para calcular la capacidad última de un pilote durante el hincado. Esas ecuaciones dinámicas se usan ampliamente en el campo para determinar si el pilote ha alcanzado un valor de carga satisfactorio a la profundidad predeterminada.

2.11.1 Deducción de la fórmula de capacidad última del pilote:

Una de las primeras ecuaciones dinámicas, comúnmente llamada fórmula del Engineering News Record (ENR), se deriva de la teoría del trabajo y la energía; esto es,

Energía impartida por el martinete por golpe

= (resistencia del pilote) x (penetración por golpe del martinete)

23

Por Trabajo y Energía:

total choque hinca elásticoT T T T= + + (2.6)

total bT W hη=

( ) ( )21pchoque o f b

p b

mT E E W h e

m mη= − = −

+

hinca uT Qδ=

12elástico u eT Q δ=

donde T = trabajo η = eficiencia del martinete (bloque de concreto)

bW = peso del bloque de concreto

h = altura de caída del bloque de concreto

bm =masa del bloque de concreto

pm =masa del pilote e = coeficiente de restitución entre el bloque y el cabezal del pilote

Sδ = ∆ = penetración del pilote por golpe (producido por el bloque)

uQ =Carga última o fuerza axial reactiva del pilote

eδ = deflexión estática

2(1 ) 1( )2

pb b u e u

b p

m eW h W h Q Q

m mη η δ δ

−∴ = + +

+

24

Y tras algunas transformaciones algebraicas tenemos:

2

12

b pbu

b pe

W e WW hQW W

η

δ δ

+=

++

De acuerdo con la fórmula ENR para hincado de pilotes, revisada varias veces a lo largo de los años. Una forma reciente de la fórmula modificada es,

2b pb

ub p

W e WW hQS C W Wη +

=∆ + + (2.7)

donde pW =peso del pilote [N]

12 e Cδ = = constante producida en el trabajo elástico.

Para martinetes de gravedad 0.254C = si las unidades de S y h están en centímetros, según experiencia de la ENR.

25

3. CÁLCULO ACTUAL EN CAMPO [1]

3.1 CÁLCULO REAL DE

Teniendo como base la masa del bloque de concreto de 65 kg. y del pilote hecho de un tubo estructural de sección circular Colmena (ASTM A500 Grado C), tenemos:

65bm kg=

5.08 (2 )nD cm inφ= =

5 /m kg ml=

Para una longitud 2,61l m= de un pilote convencional de trabajo, tenemos:

13pm kg=

13 127.53pW kgf N= =

Las eficiencias de varios martinetes,η , tiene los siguientes rangos:

Tipo de Martillo Eficiencia, η Martinetes de simple efecto y doble acción 0.7-0.85 Martinetes Diesel 0.8-0.9 Martinetes de Gravedad 0.7-0.9

Tabla No. 4 Eficiencia de Martillos Según la ENR [1]

Los valores representativos del coeficiente de restitución, e son:

Material del Pilote Coeficiente de Restitución, e

Pilotes de Concreto y de Acero (Sin Cabezal) 0.4-0.5 Almohadilla de Madera sobre Pilotes de Acero 0.3-0.4 Pilotes de Madera 0.25-0.3

Tabla No. 5 Coeficiente de Restitución Según la ENR [1]

uQ

26

De las dos tablas anteriores seleccionamos:

0,8η = como la eficiencia promedio para un martinete de gravedad

0,45e = como valor promedio para pilotes de acero

Vale la pena aclarar que si la máquina se utiliza en otra región, se debe realizar el estudio de suelos y tomar muestras para varios tubos y hacer el mismo promedio, de estos resultados se conoce la estratificación del suelo a trabajar.

La siguiente tabla es una muestra promedio del lugar donde normalmente se hincan los pilotes (Tibú Norte de Santander) aplicado a tres tubos y posteriormente promediado para dar un solo valor objetivo.

∑ de golpes

[ ]iz cm∆ , Profundidad para 10 golpes [cm]

S∆ ,Profundidad/golpe [cm] % Hincado

10 37,8 3,78 35,9

20 16,2 1,62 15,4

30 13,5 1,35 12,8

40 10,8 1,08 10,2

50 9,44 0,94 9,0

60 8,9 0,89 8,5

70 8,63 0,86 8,2

Tabla No. 6 Datos de prueba hecha en campo (sector la Silla Tibú N.S). Promedio de varios pilotes [4]

27

La penetración del pilote, S∆ , se basa usualmente en el valor promedio obtenido en los últimos golpes de hincado. De la tabla anterior tomamos:

0,86 /S cm golpe∆ =

Resolviendo la ecuación (2.7):

20,8 65 138 65 (0,45) 130,86 0,254 65 13u

x x xQ x +=

+ +

5585,4 54,79uQ kgf kN= =

3.2 CAPACIDAD ADMISIBLE DEL PILOTE DURANTE EL HINCADO

uadm

QQFS

=

Donde admQ = capacidad de carga admisible para cada pilote

FS = factor de seguridad

La descripción de la fórmula anterior no difiere en su forma con la descrita en la sección (2.10.4), lo único que cambia es la forma como se desarrolla, pues la primera se basa en la hipótesis de que el desplazamiento del suelo causado por el hincado, resulta en una presión lateral pasiva a cualquier profundidad, por otro lado, la segunda enuncia una fórmula empírica sacada de la experiencia como método de verificación para determinar si un pilote ha alcanzado un valor de carga satisfactorio a la profundidad predeterminada.

El factor de seguridad está entre 4 y 6 para obtener la capacidad de carga admisible de un pilote.

5585,46adm

kgfQ∴ =

28

930.9 9,13admQ kgf kN= =

3.3 ESFUERZO EN PILOTES DURANTE EL HINCADO

El esfuerzo máximo desarrollado sobre un pilote durante la operación de hincado se estima con las fórmulas presentadas en la sección anterior. Como ilustración, usamos la fórmula ENR modificada dada en la ecuación (2.7):

2b pb

ub p

W e WW hQS C W Wη +

=∆ + +

En esta ecuación, S∆ es igual a la penetración promedio por golpe de martinete, que también se expresa como

2,54SN

∆ =

Donde S∆ está en centímetros N = No. de golpes de martinete por pulgada de penetración

Entonces,

2

2,54 0,254( )

b pbu

b p

W e WW hQ xW Wcm

N

η +=

++

Se puede suponer diferentes valores de N para un martinete y pilote dados

y calcular uQ . El esfuerzo de hincado entonces se calcula para cada valor

de N y /u pQ A . Este procedimiento se demuestra con un conjunto de valores numéricos. Donde:

29

uσ : Esfuerzo de hincado del pilote Para el caso de interés, tenemos:

20,8 65 138 65 (0,45) 132,54 65 130,254

ux x xQ x

N

+=

++

6222,192,54 0,254

uQ kgf

N

=+

De la ecuación anterior, y con los datos de un pilote de:

5.08 (2 )nD cm inφ= =

26,38pA cm=

Podemos plantear la siguiente tabla:

∑ de golpes

S∆ N [ ]uQ kgf 2[ / ]u kgf cmσ

10 3,78 0,67 1542,4 241,8

20 1,62 1,57 3320,3 520,4

30 1,35 1,88 3879,2 608,0

40 1,08 2,35 4664,3 731,1

50 0,94 2,70 5211,2 816,8

60 0,89 2,85 5439,0 852,5

70 0,86 2,95 5585,4 875,5

Tabla No. 7 Valor del esfuerzo de hincado del pilote [4]

30

En la práctica, los esfuerzos de hincado en pilotes de madera están limitados a aproximadamente 0,7 uS . Similarmente, para pilotes de concreto y acero,

los esfuerzos de hincado están limitados a aproximadamente 0,7 yS y

0,85 yS , respectivamente. En la mayoría de los casos, los pilotes de madera son hincados con una energía del martillo menor que 60kN m− . Las resistencias de hincado están limitados principalmente a 4 o 5 golpes por 2,54 cm de penetración del pilote. Para pilotes de concreto y acero, los valores usuales de N adoptados están entre 6 y 8, y 12 y 14, respectivamente.

La figura 6 muestra una gráfica de /u u pQ Aσ =

versus N . De esta curva el número de golpes por 2,54 cm de penetración del pilote, correspondiente al esfuerzo permisible de hincado del pilote se determina fácilmente.

Figura 6. Gráfica del Esfuerzo de Hincado del Pilote versus Número de Golpes por 2,54 cm [4]

31

3.4 CÁLCULO DE LA CARRERA MÍNIMA DEL PILOTE

Aquí se busca desarrollar una ecuación que describa el movimiento del pilote. La estratificación del suelo se realizó con el hincado actual, ya que este no depende sino de la profundidad de penetración a la que se somete el pilote, con esto se conoce el valor de carga uQ a medida que su profundidad

aumenta. Con estos datos se puede hallar la altura mínima oh a la que debe estar el bloque de concreto, teniendo en cuenta los mismos 70 golpes.

La máquina planeada genera un aporte muy importante, ya que la carrera anteriormente era constante, y ahora, a medida que desciende el pilote aumenta la carrera del martinete (bloque de concreto).

Conforme a lo dicho anteriormente la carrera ahora es variable y despejando

iS∆ de la ecuación (2.7) tenemos:

2

i

b pb ii

u b p

W e WW hS x CQ W W

η +∆ = −

+

donde , ,

ii i uS h Q∆ son los términos variables de la ecuación, los demás siguen siendo constantes

45,088 0,254i

ii

u

hSQ

∴∆ = −

A medida que aumenta la profundidad de penetración, la carrera se hace más grande, entonces:

i o ih h z= + y ( )iu iQ f z= (2.8) y (2.9)

donde

ih = Carrera variable del bloque de concreto en el punto i [m]

oh = carrera inicial del martinete o del bloque de concreto [m]

oh

32

iz = profundidad de penetración del pilote, a partir de la altura a la que se empieza el pilotaje

iS∆ = penetración del pilote por golpe (producido por el bloque) en el

estrato de suelo i Para ilustrar mejor las fórmulas planteadas, tenemos la siguiente figura:

Figura 7. Datos del pilotaje conforme a las fórmulas [4]

33

Con la profundidad iz∆ podemos tener:

7

0i i

iz z

=

= ∆∑ (2.8)

donde:

iz∆ es el valor inicial calculado en la sección (2.11.4 Tabla No. 7) y se utiliza para conocer la h mínima.

La siguiente tabla muestra los valores obtenidos en la sumatoria de golpes aplicados al pilote para alcanzar la profundidad requerida:

i [ ]iz cm∆

[ ]iz cm

[ ]iuQ kgf

[ ]ih cm [ ]iS cm∆ # igolpes

0 0 0 0 100 0 0

1 37,8 37,8 1542,4 137,8 3,774 10

2 16,2 54 3320,3 154,0 1,837 9

3 13,5 67,5 3879,2 167,5 1,693 8

4 10,8 78,3 4664,3 178,3 1,470 8

5 9,44 87,74 5211,2 187,74 1,370 7

6 8,9 96,64 5439,0 196,64 1,376 7

7 8,63 105,27 5585,4 205,27 1,403 6

Tabla No. 8 Valores para 100oh cm= [4]

La # 55igolpesΣ = , esto es la cantidad de golpes que debe recibir el pilote para llegar al estrato de suelo identificado, en otras palabras es la profundidad que se requiere para un buen soporte de carga del pilote.

34

Aquí se hacen ensayos por prueba y error para alcanzar el # de golpes definido La meta es hallar ih mínima para 70 golpes, entonces:

i [ ]ih cm [ ]iS cm∆ # igolpes

0 90 0 0 1 127,8 3,482 11 2 144,0 1,701 10 3 157,5 1,577 9 4 168,3 1,373 8 5 177,74 1,284 8 6 186,64 1,293 7 7 195,27 1,322 7


De la tabla anterior la # 60igolpesΣ = .




0 80 0 0 1 117,8 3,190 12 2 134,0 1,566 11 3 147,5 1,460 10 4 158,3 1,276 9 5 167,74 1,197 8 6 176,64 1,210 8 7 195,27 1,322 7

35


0 70 0 0 1 107,8 2,897 13 2 124,0 1,430 12 3 137,5 1,344 10 4 148,3 1,180 10 5 157,74 1,111 9 6 166,64 1,127 8 7 185,27 1,242 7



Conclusión:

La altura mínima a la que debe trabajar el bloque de concreto o martinete es de 70 cm, cumpliendo los parámetros estimados.

Figura 8. Comparación de carrera constante y variable para un mismo # de golpes [4]

36

4. DISEÑO Y SELECCIÓN DE LAS PARTES DE LA MÁQUINA[4]

En este capítulo se especifican los diferentes criterios de diseño y selección de componentes, aplicados según corresponde de acuerdo al diseñador y a los fabricantes enunciados en las secciones siguientes.

Para unificar la connotación de los elementos de la máquina, se tiene la siguiente figura como esquema general que describe los puntos más importantes en el diseño y selección de sus componentes.

Figura 9. Vista de planta de la máquina con su nomenclatura [4]

37

4.1 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD

La capacidad de la máquina se calcula en base al uso del armazón actual mediante dos factores fundamentales trabajados hasta ahora:

Se aplicarán entre 60 a 70 golpes por tubo hincado.

Estratificación del suelo, hallada en la sección (3.3 Tabla No. 7) de la capacidad última o fuerza reactiva del pilote durante el hincado.

De esta forma se puede hallar la altura mínima que debe tener el trípode, ya que el problema principal de este, radica en el tamaño que debía tener.

La capacidad proyectada de la máquina altera la carrera de trabajo mejorando el tiempo de hincado, en el armazón utilizado la carrera era constante porque todo el conjunto bajaba con el pilote.

En el dimensionamiento de la altura mínima solo se podía modificar la carrera del bloque de concreto, ya que la altura del pilote es la misma. Entonces con las fórmulas planteadas por la Engineering News Record (ENR) derivada de la teoría de trabajo y energía se pudo establecer la altura real a la que este bloque debía estar ubicado.

Los siguientes parámetros de uso son nominales y se limitan a valores confiables y seguros de operación de la máquina:

Capacidad de Carga Nominal de la Máquina: 80 kgf.

Tiempo de un ciclo: 2,5 segundos.

Tiempo Aproximado de Hincado por Tubo: 180 segundos.

Tiempo Aproximado de Hincado de una Pareja de Tubos: 600 seg (Incluye montaje y desmontaje de la máquina).

Velocidad del Bloque de Concreto: 2,64 – 2,97 m/s

38

4.2 VELOCIDAD DE FUNCIONAMIENTO

Teniendo en cuenta la nomenclatura establecida en la Figura 8, se normaliza la connotación para todo el capítulo.

donde: :A Punto del lado del volante del motor :B Punto de salida del eje del motor y entrada al embrague :C Punto de entrada al eje del reductor y salida del embrague :D Punto de salida del eje del reductor y lugar donde se coloca la polea

más pequeña de la transmisión :E Punto donde se conecta la polea más grande y el eje del malacate :F Punto de ubicación de uno de los rodamientos del malacate que

sostiene el eje y el tambor de arrollamiento :G Punto medio del tambor donde teóricamente se ubican las cargas

producidas por el martinete :H Punto final del malacate donde se ubica el otro rodamiento

Motor:

Desde el motor se puede gobernar el margen de velocidad de la máquina, con el acelerador se tiene de 3200 a 3600 r.p.m. del lado del volante y de 1600 a 1800 r.p.m. en la salida del eje.

3200 3600 . . .An r p m= −

1600 1800 . . .B mn n r p m= = −

Reductor de Velocidad:

Reducción de 5:1.

5e C

s D

n nn n

= = C Bn n=

39

Velocidad de entrada:

1600 1800e Cn n rpm= = − Velocidad de salida:

320 360s Dn n rpm∴ = = −

Reducción con polea en V:

Polea No. 1: 7,5 19,05DD in cm= =

Polea No. 2: 7,5 19,05DD in cm= = Reducción de 10:7,5 ó 1,33:1

1,33D

E

nn

=

240 270En rpm∴ = −

Malacate:

240 270E F G Hn n n n rpm= = = = −

Tambor: 21 0,21mD cm m= =

Martinete (Bloque):

2 25,13 28,27 /60E Ew n rad sπ

= = −

2,64 2,97 /2

mMartinete E

DV w m s= = −

Velocidad Máxima del Martinete:

40

3 /MartineteV m s≈

4.3 SISTEMA DE ELEVACIÓN DE CARGA

4.3.1 Bloque de Concreto

En los objetivos del proyecto estaba planteado un bloque de concreto de 100kg. Reevaluando el problema y buscando la comodidad del trabajador y su optimización en la empresa, se tomó la decisión de reducir la masa del bloque a 65 kg.

A partir de esto y sabiendo que el es de concreto, tenemos:

32300 /c kg mρ = densidad promedio del concreto

65bm kg= masa del bloque de concreto

65 (638 )bW kgf N= peso del bloque de concreto

3 30,02826 28261bmV m cmρ

∴ = = ≈

Las dimensiones del Bloque que cumplen lo anterior y que además se ajustan al trabajo son:

33bD cm= diámetro del Bloque

33bh cm= altura del bloque

Opcional: Para el caso en el cual se quiere que la fuerza normal entre el bloque de concreto y la varilla de guía sea mínima.

32bD cm= 35bh cm=

41

Figura10. Bloque o Porro utilizado para el pilotaje [4] 4.3.2 Cable o Guaya [10]

Cinética del Bloque de concreto

. yF m a=∑

.t c bF w w m a− − = (4.1)

Figura 11. Diagrama cinético martinete [4]

donde:

tF = fuerza de tensión en el cable

bw =peso del bloque de concreto

Eligiendo un cable I.P.S. (Acero Mejorado de Acero) de 0,63x6x19 con alma de fibra, del catálogo de Emcocables tenemos:

2480uF kgf= Resistencia Nominal a la Rotura

0,63rD cm= Diámetro del Cable

30s rD D= Diámetro de la Polea del Cable

Wb

Wc

Ftm.ay

42

0,067w rD D= Diámetro de cada Alambre 20,4m rA D=

Área metálica

12L m= Longitud del Cable 2. 0,37 . 2c rw w L D L kgf= = = Peso Total del Cable

Resolviendo la ecuación (4.1), tenemos:

2 65. 1,5 2 65 809,81t c mF m a w w kgf+⎛ ⎞= + + = + + ≈⎜ ⎟

⎝ ⎠

Criterio de Selección:

En Base Estática:

. . 1200 11772w mb

s

E D AF kgf ND

= ≈ =

16 9u b

t

F FNF−

= = ≥ El valor de N debe estar comprendido de 5 a 9

para elevación y grúas (según Emcocables) donde:

bF = Fuerza de Flexión Equivalente

N = Factor de Seguridad

Base Dinámica: Se considera razonable un factor dinámico

Para el acero I.P.S. la resistencia última a la tracción es 216870 / 1654,95uS kg cm MPa= =

De la ecuación de fatiga para cables tenemos:

1,3DN =

43

( )2 D t

u s r u

N FPS D D S

⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠

2

2 1,3 80 0,001035[30 (0,63) ]u

P x xS x

⎛ ⎞ = =⎜ ⎟⎝ ⎠

0,001035 0,0015≤ Para vida infinita

Conclusión:

Cable seleccionado con un diámetro de 0,25in=0,63cm 6x19 con alma de fibra.

Recomendación: La posibilidad de encontrar una polea con un diámetro mayor o igual a 19 cm es escasa, debido a su alto costo; el diámetro mínimo que se puede emplear para el cable seleccionado es de 14 cm, conservando vida infinita con un factor de seguridad de

Figura 12. Guaya o Cable [4]

11N =

44

4.3.3. Diseño del Malacate o Tambor de Arrollamiento (según DIN 4130):

El diámetro medio teórico mínimo que debe tener el tambor es:

[500 600] 500 0,067 0,63 21,1m wD D x x cm cm≥ − = =

2 21,91 2 0,1 22,1 21,1 _ . .m eD D a x cm cm o k= + = + = ≥

donde:

wD = diámetro de cada alambre del cable enunciado en la sección (4.3.2)

Figura 13. Dimensiones de tambor para cable metálico [4]

donde:

:q altura de ranura :e espesor de pared interna del tubo :P paso de arrollamiento

45

:rD diámetro del cable

:eD diámetro exterior del tambor (tubo)

:iD diámetro interior del tambor

:mD diámetro medio entre centros del cable

:fD diámetro del fondo de la ranura

:t espesor del tubo :a distancia entre el centro del cable y cresta de la ranura

:or o espira en torno

:QH carrera máxima de tambor Parámetros de Cálculo del Tambor (Según DIN 4130):

a) [500 600] 21,1m wD D cm≥ − = Seleccionar lo más cerca posible a este valor para no aumentar la velocidad del bloque de concreto. Del catálogo Colmena para un diámetro nominal de 8in=20,32cm, tenemos:

219,1eD mm=

202,74iD mm=

min 1a mm=

8,18t mm= Como :

2rD q a= +

6,3 1 2,152 2

rDq a mm→ = − = − =

Respecto del Radio de la Ranura de la espira:

46

[1 3 ]2

ro

Dr a mm= +

6,3 2,85 6,0 0,62or mm cm= + = =

b) 221,1 6,3 214,8 21,5f m rD D D mm mm cm= − = − = ≈

Recomendación: 0,01 4 6,11 0,6me D mm mm cm= + = ≈ c) Espesor de pared del tubo:

6,03 0,62

f iD De mm cm

−= = ≈ O.K.

d) # de espiras activas: sn

390 5,62 6. .22,1

Qs

m

Hn

Dπ π= = = ≈

# de espiras totales: Tn

3 6 3 9T sn n≥ + = + =

9Tn ≥

390 400 11,4 12. .22,1

TT

m

HnDπ π

+= = = ≈

e) Longitud de Arrollamiento: TL

.T TL n P=

[0,1 0,3] 0,63 0,3 0,93rP D cm cm= + − = + =

47

12 0,93 11,16TL x cm∴ = =

11,5TL cm≥ f) Chequeo de Esfuerzos: Confrontar esfuerzos o fatigas principales,

como esfuerzo compuesto: cσ

2 2c f aσ σ σ= +

0,5

.t

aF

e Pσ =

(4.2)

max 24 4 4 4

8. . .4 [ / ]( ) ( )

32

t T

f T f tf

f i f i

f

F LM L D F

kgf cmD Dz D D

D

σππ

= = =− −

(4.3)

donde:

:fσ esfuerzo de flexión [kgf-cm2]

:aσ esfuerzo de aplastamiento [kgf-cm2]

max:fM momento flector máximo de trabajo [kgf-cm]

:z módulo de sección en [cm3]

:tF fuerza del cable que va al tambor [kgf] Resolviendo las ecuaciones (4.2) y (4.3), tenemos:

24 4 4

8,15 .21,5 ..80 1,5 /[(21,5) (20,3) ]f

cm cm kgf kgf cmcm

σπ

= =−

48

20,5 80 72 /0,6 0,93a

x kgf kgf cmx

σ = =

Como f aσ σ , solo se chequea esfuerzo por aplastamiento 272 /a kgf cmσ =

Teniendo en cuenta que solo se chequea por aplastamiento, el esfuerzo

admisible admσ es: 2300 /adm kgf cmσ = para fundición de hierro 2500 /adm kgf cmσ = para fundición de acero o acero fundido

Factor de Seguridad: sN

500 772

adms

a

N σσ

= = ≈

Tapas del Tambor: tapasD Recomendación:

5 21,91 5 0,63 25,1tapas e rD D D x cm= + = + ≈

49

Cálculo del Eje del Tambor de Arrollamiento:

Figura 14. Diagrama de fuerzas y de cuerpo libre del malacate o tambor [4]

• Análisis Estático del Eje del Tambor:

El torque producido por el cable se considera en todo el eje y las fuerzas F1 y F2 (reacciones de la polea en el punto E) asumidas como horizontales, lo anterior, para resultados más conservativos.

Figura 15. Diagrama del malacate en el punto H [4]

50

El peso aproximado del tambor es 15 kgf:

15 148tW kgf N= =

La carga total del cable es:

80 785tF kgf N= =

Reacciones en la polea del punto E:

Para este caso se utiliza una polea trapezoidal de dos canales tipo B, los parámetros son los siguientes:

11 2

2

5 5F F FF

= → =

1 2 2 2( ) 4 22 2

E EE E

D DT F F F F D= − = =

29200 181,1

2 2 25,4E

E

T N cmF ND x cm

−= = =

1 905,5F N=

1 2 1087F F N+ ≈

Figura 16. Diagrama de poleas de la transmisión, Puntos D y E [4]

51

• Torque total en el eje: tT

t w IT T T= + (4.4)

. [ ]2

mw t

DT F Nm= . [ ]IT J Nmα=

2 21 [ ]2 tJ m r kg m= − [ / ]

30tn rad st

πα =

donde

:wT torque por carga

:IT torque de inercia

:tF fuerza de tensión en el cable

:tm masa del tambor

:mD diámetro medio entre centros del cable

:J momento de inercia del tambor :r radio de giro del tambor :α aceleración angular del tambor

:tn velocidad en R.P.M. del tambor

2 2 4 2115 11,05 915,77 915,77 102

J x kg cm x kg m−= = − = −

2270 56,55 /30 0,5

x rad sx

πα = =

22,180 9,81 86,72[ ]2wT x x Nm= =

52

4 2 2915,77 10 . 56,55 / 5,18[ ]IT X kg m x rad s Nm−= =

86,72 5,18 92[ ]_(938 . )tT Nm kgf cm∴ = + ≈

• Resistencia del eje: Plano XY:

0 248Hz FyM R NΣ = → = −

0 248y HyF R NΣ = → = − Plano XZ:

0 769Fy HzM R NΣ = → =

0 1405z FzF R NΣ = → = −

• Análisis de Esfuerzos: De acuerdo a la figura anterior, los puntos críticos están en F y G:

130,5FM Nm=

2 2(92,3) (34,2) 98,43GM Nm= + = Sección Crítica: F

53

Figura 17. Diagrama de cargas del eje del tambor [4]

Figura 18. Diagrama de esfuerzos normales: medio y alternativo [4]

54

El esfuerzo normal para ejes circulares es:

3

32Mc MI d

σπ

= =

3 3

32 130,1 1330a

xd d

σπ

= =

0mσ =

donde:

:aσ Esfuerzo normal alternativo :mσ Esfuerzo normal medio

Figura 19. Diagrama de esfuerzos cortantes: medio y alternativo [4]

55

El esfuerzo cortante para ejes es:

3

16Tc TJ d

τπ

= =

3 3

16 92 470a

xd d

τπ

= = 3

470m a dτ τ= =

donde:

:aτ Esfuerzo cortante alternativo

:mτ Esfuerzo cortante medio • Cálculo del diámetro mínimo del eje sometido a fatiga[2] Nomenclatura utilizada en esta sección:

:N Factor de seguridad a fatiga :ffk Factor de concentración de esfuerzos en fatiga (flexión)

:fsk Factor de concentración de esfuerzos en fatiga (torsión)

:tfkFactor de concentración de esfuerzos estáticos (flexión)

:tsk Factor de concentración de esfuerzos estáticos (torsión)

:sCFactor de acabado superficial :LfCFactor de carga a flexión

:LsC Factor de carga a torsión

:pCFactor de tamaño

:CCFactor de confiabilidad

:TCFactor de efectos de temperatura ambiente de trabajo

56

:mCFactor de efectos misceláneos

:nSResistencia a la fatiga (especímenes ideales a carga axial y flexión)

:nsS Resistencia a la fatiga (especímenes ideales a torsión)

' :nSResistencia a la fatiga (especímenes afectados a carga axial y

flexión) ' :nsS

Resistencia a la fatiga (especímenes afectados a torsión) :utSResistencia última del material a tracción

:ytSResistencia a cedencia del material a tracción

:ysSResistencia a cedencia en corte

:d Diámetro del eje :r Radio de entalladura

:tqSensibilidad a la entalladura (flexión y tracción)

:sq Sensibilidad a la entalladura (torsión)

:RZFactor a un % de confiabilidad exigido

Por criterio de Soderberg tenemos: N=1,6

12 2 21

' 'f a fs am m

yt n ys ns

k kN S S S S

σ τσ τ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + + +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

De la teoría de falla para carga combinada en fatiga, según Misses-Soderberg del libro de fatiga [2], se tiene:

57

11 3

2 2 232' 2 2 '

f a fs am m

yt n ys ns

k M k TM TNdS S S Sπ

⎧ ⎫⎡ ⎤⎪ ⎪⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎨ ⎬= + + +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪ ⎪⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎩ ⎭ (4.5)

Para un material AISI C1045 Laminado Simple, utilizado para el eje:

26749 / 662,08utS kgf cm MPa= =

24148 / 406,92ytS kgf cm MPa= =

215Britnell =

'n s Lf p c T m nS C C C C C C S=

0,5n utS S=

' (0,5 )n s Lf p c T m utS C C C C C C S→ = (4.6)

'ns s Ls p c T m nsS C C C C C C S=

0,5 0,5 0,577 0,2887ns ys yt ytS S x S S= = =

' (0,2887 )ns s Ls p c T m ytS C C C C C C S→ =

(4.7)

0,577ys ytS S=

(4.8) De las tablas de fisura progresiva para concentradores de esfuerzo:

0,78sC = Maquinado común

1,0LfC = Carga a flexión

0,58LsC = Carga a torsión

58

0,9_(1,02 5,08 )pC cm d cm= ≤ ≤ Confiabilidad del 98%:

2,053RZ =

1 0,08 0,83c RC Z= − = 1,0TC =

1,0mC = Resolviendo las ecuaciones (4.6), (4.7) y (4.8) tenemos:

' 0,78 1 0,9 0,83 1 1 (0,5 662,08 )nS x x x x x x x MPa= 2' 192,88 _(1966,2 / )nS MPa kgf cm=

' 0,78 0,58 0,9 0,83 1,0 1,0 (0,2887 406,92 )nsS x x x x x x x MPa= 2' 39,7 _(404,7 / )nsS MPa kgf cm=

0,577 406,92ysS x MPa=

2231,94 _(2364.36 / )ysS MPa kgf cm=

Concentradores de esfuerzo a fatiga:

1 ( 1)f tk k q= + − (4.9)

De tablas para un cuñero de patín, eje de acero recocido:

cuñero a flexión estática: 1,3ffk =

cuñero a torsión estática: 1,3fsk =

59

Reemplazando los valores en la ecuación (4.5), tenemos: 1

1 32 2 2

6 6 6

32 1,6 1,3 130,5 92 1,3 920192,88 10 2 231,94 10 2 39,7 10

x x xdX x X x Xπ

⎧ ⎫⎪ ⎪⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎨ ⎬= + + +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪ ⎪⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎩ ⎭

Conclusión: 10,0315 3,15 14

d m cm in≥ = ≈

4.3.4 Selección de Rodamientos en el eje del tambor:

Duración o vida útil de proyecto:

4000 8000hL horas= − (Aparejos elevadores de V.M. Faires) Eligiendo:

6300hL horas= Velocidad del tambor:

270 . . .tn r p m=

Reacciones en apoyos F y H:

2 2 2 2248 1405 1427F Fy FzR R R N= + = + =

2 2 2 2248 769 808H Hy HzR R R N= + = + = El eje está sometido a carga radial solamente, la carga equivalente será:

1427 (119 )rP F N kgf∴ = =

60

De la tabla de seguridad de carga de la SKF:

4,93CP≈

La capacidad dinámica mínima del rodamiento debe ser:

4,93 7035 (717 )C xP N kgf= =

Teniendo en cuenta esta capacidad y con el diámetro de eje más cercano:

7035 (717 )C N kgf=

3,5d cm=

se pueden elegir los siguientes rodamientos:

6007 (C=12200N) 6307 (C=25500N)

6207 (C=19600N) 6407 (C=42500N)

Conclusión: Se selecciona un rodamiento 6007 del Catálogo SKF

Figura 20. Diagrama de Malacate [4]

61

4.3.5 Polea Lisa

En este caso, la polea lisa se selecciona de acuerdo al cable utilizado en la sección (4.3.2). El diámetro mínimo recomendado será:

30 18,9s rD D cm= =

Además, en la misma sección, se da una recomendación en caso de no encontrar fácilmente una polea de estas especificaciones, sin alterar la vida infinita y manteniendo el factor de seguridad para este tipo de uso:

14sD cm≥ conservando vida infinita

Con un factor de seguridad 11 9sN = ≥ aún conservativo Rendimiento de la polea:

0,95η = incluyendo el rozamiento de los cojinetes

Figura 21. Diagrama de Polea puesta en el malacate [4]

62

4.3.6 Sombrerete o Asiento del Pilote

Este tiene como fin amortiguar el golpe, disminuyendo la deformación plástica del pilote, debido al impacto causado por el martinete o bloque de concreto.

Es muy difícil determinar los asientos mediante métodos sencillos de cálculo. Lo más apropiado es realizar pruebas de carga, lo que puede resultar muy costoso.

El asiento de un pilote se debe a dos términos, uno de deformación del propio pilote y otro de deformación del terreno.

El material empleado para el asiento, normalmente es de fundición de acero o acero fundido para el tipo de pilotes empleado.

Figura 22. Diagrama de Flanged o sombrerete [4]

4.3.7 Varilla guía del Bloque de Golpeo

Esta varilla es la guía del martinete o bloque de concreto, evita desviaciones que puedan causar daños a la estructura, al pilote o al martinete. Su dimensión está dada por la carrera que maneja el martinete y la base mínima que debe tener para quedar bien soportada al pilote. Su diámetro se da a disposición del diseñador y de la disponibilidad de materia prima en el mercado. Su longitud mínima será tres veces su diámetro más la carrera límite del martinete más una constante de 40 cm que es la altura promedio del martinete, así:

63

min var max3 40L D h cm= + +

donde

var :D diámetro de la varilla

max :h carrrera máxima del martinete

min 3 2,54 185 40 233L x cm cm cm cm= + + ≈

4.4 SISTEMA DE POTENCIA 4.4.1 Motor

Figura 23. Diagrama del Motor [4]

El motor se seleccionó pensando en poder utilizarlo en otra aplicación cuando la máquina no esté en operación. La potencia requerida por la máquina es de:

3,49 2,6mP HP kW= = valor proveniente del requerimiento del malacate. Por órden del Gerente de la empresa patrocinadora, se seleccionó un motor Diesel de 10 HP.

64

4.4.2 Embrague

Figura 24. Diagrama del Embrague a) lado del motor b) lado del reductor [4]

La selección del embrague se hace según catálogo de la Warner Electric bajo el siguiente criterio [19]:

Torque Máximo requerido

Es el torque necesario para mover todo el conjunto que incluye un factor de seguridad. Esto se consigue conociendo los valores de la carga total en el malacate a una velocidad de 270 rpm, convertidas desde el motor que gira a 1800 rpm por un reductor de velocidad (5:1) y una transmisión por correas en V (4:3) calculadas en la sección 5.2 de este libro.

El torque se obtiene de las ecuaciones de potencia:

.9550T nP =

1 1 2 2P Tn T n cte= = =

65

Con los datos del malacate (T=92 Nm y n=270 rpm), tenemos la potencia consumida por la máquina:

. 92 270 2,69550 9550T n xP kW= = =

Con la velocidad del reductor en el eje de entrada, lugar donde el embrague se acciona, tenemos:

.18002,69550

TkW =

13,8 10,154reqT Nm lb ft∴ = = −

Siendo este el torque requerido por el embrague para su operación.

El torque máximo requerido del embrague tiene la siguiente ecuación:

max .reqT T N=

Donde

Factor de Seguridad del embrague

Para esta aplicación Warner electric recomienda utilizar un factor de seguridad cercano a 5. Entonces se selecciona el embrague SFC-500:

max 50T lb ft= −

4,9N∴ =

El embrague posee un diseño de campo estacionario y está montado en rodamientos. El torque es transmitido a través de un centro estriado a un adaptador que se fija con pernos a la armadura del embrague.

N =

66

4.4.3 Reductor de Velocidad

Figura 25. Diagrama del reductor de velocidad [4]

El reductor es suministrado por la marca SW y esta capacitado para 10 hp de

potencia. Posee un factor de seguridad de 2,9 y su relación de velocidad fue

seleccionada teniendo en cuenta que la transmisión en cada ciclo retrocede

por la caída de la carga, consiguiendo así poca pérdida al devolver la carga,

ya que así el equipo no consigue liberar la carga con dificultad.

4.4.4 Transmisión por correas

Figura 26. Diagrama de las correas montadas en la transmisión [4]

67

El número de ramales requerido depende de la calidad de las correas, del diámetro adoptado de la polea pequeña y de la velocidad periférica de la banda junto a la potencia a transmitir.

Para esto se tiene el siguiente procedimiento de Selección:

Potencia de Diseño:

Donde

Potencia nominal

Factor de servicio

Velocidad de Polea Pequeña:

Con la relación del reductor de 5:1 tenemos:

Determinación del tipo de correa:

Con Vs.

y del ábaco de correas tenemos:

Correa seleccionada Tipo B

disP

nomP =sfN =

.dis nom sfP P N=

92 *260 *1,3 3,26 (4,36 )9550disNmP kW hp= =

360pn rpm=

1,385i =

pn disP

68

Con el tipo de correa escogido se selecciona el diámetro mínimo de la polea pequeña:

Para correa tipo B el diámetro mínimo a utilizar es de 5,4 in (13,71cm), si se emplea una polea más pequeña, lo probable es que la correa tenga poca duración.

Para este caso se elige una polea de 7,5 y 10 in de diámetro respectivamente.

Potencia específica (Rated HP):

En unidades americanas se tiene,

Donde

Velocidad periférica en pies/min

Son constantes dadas por el tipo de correa

Diámetro de polea pequeña

Coeficiente de diámetro pequeño en función de

Coeficiente de arco de contacto en función de

Factor de corrección por longitud de L

Distancia entre centros de las dos poleas

Longitud pitch de la correa

0,09 2 23

6 31

.10. .. 10 10

m m

m d

eV VcRatedHP aV k D

⎡ ⎤⎛ ⎞= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

mV =, ,a c e =

1D =

Dk =2 1/D D

kθ = 2 1( ) /D D C−

Lk =

L =C =

69

Con C=16 in

Se elige la correa más cercana a este valor:

L comercial B60. L pitch=61,8 in

Potencia corregida:

Elección de la cantidad de correas de la transmisión:

1 1* * /12mV D nπ=

*7,5*360 /12 706,9 / minmV ftπ= =

1,09Dk =

0,98kθ =

0,92Lk∴ =

2,24RatedHP∴ =2

2 12 1

( )2 1,57( )4

D DL C D DC−

= + + +

59,57L in=

corrP

* *corr LP RatedHP k kθ=

2,24*0,98*0,92 2,02corrP hp= =

# dis

corr

PotRamalesPot

=4,36# 22,02

Ramales ramales=

70

Corrección de C:

4.5 SISTEMA ESTRUCTURAL

Este sistema se caracteriza por contener los diferentes elementos de la máquina, aquí se dispone el conjunto que soporta los demás sistemas descritos en este capítulo.

A continuación se recrearan tanto los bocetos de diseño como el resultado final después de hacer varios ajustes en la construcción de la máquina, consiguiendo optimizar la operación de la misma.

4.5.1 Elementos del Trípode [4, 6]

El trípode se compone de los siguientes elementos: Estructura paralela en forma de A acoplada tanto al bastidor o trineo como al resto de la misma, dos elementos o parales que completan el trípode, un tornillo de sujeción entre los tres parales y una polea que soporta el cable de trabajo.

22 132( )

16c

B B D DC

+ − −=

2 14 6,28( )B L D D= − −

137,3B =

17,14 43,55cC in cm∴ = =

71

Figura 27. Esquema final del trípode en SolidWorks [4]

Figura 28. Acercamiento de conexiones principales del trípode a) unión de los 3

parales, b) conexión telescópica que corrige diferencias de longitud entre parales[4, 6]

Las partes que componen los parales están hechas de dos materiales. La parte superior es de tubo estructural ASTM Grado 500C y en la parte inferior para más resistencia, se aprovechó unas camisas aceradas de alta resistencia y poco peso provistas en la bodega de la empresa, mejorando la estabilidad estructural del trípode.

Figura 29. Trípode armado en campo durante pruebas hechas al equipo. En esta toma se

observa que los planos de la máquina fueron muy cercanos a la realidad de construcción del

trípode. Las partes amarillas de la fotografía son la parte inferior de cuatro tubos acerados

provistos de una capa de tungsteno que ofrece alta resistencia al desgaste y a la

deformación. [4]

La forma esencial del trípode fue diseñada después de varias sesiones entre el director del proyecto (profesor Alfredo Parada C.) y el autor del mismo (Edwin Fontecha R.), coincidiendo en ideas por la funcionalidad que podía tener el trípode, al disponer de la geometría planteada.

4.5.2 Elementos del Bastidor (Trineo) [4, 6]

El trineo se compone de un conjunto de ángulos y tubos dispuestos de manera estratégica, donde se ubican los componentes principales de la máquina. Aquí descansa el sistema de potencia, de control y parte del sistema de elevación de carga, además de esto tiene una conexión directa entre el trípode y el resto del conjunto.

Aprovechando el inventario en bodega de la empresa de esta tubería conocida comúnmente por camisa acerada se dispuso emplearla en varios elementos de la máquina. La tubería empleada en este bastidor se

73

caracteriza por ser muy liviana, por tener alta resistencia mecánica, baja deformación y buena resistencia al desgaste. Vale la pena resaltar que la tubería mencionada posee una capa de tungsteno, estos tubos son la camisa de un pistón para la extracción de crudo en los machine de las plantas de petróleo en la región de Tibú.

Figura 30. Bastidor hecho en SolidWoks con tubería y ángulos de varios calibres [4]

Figura 31. Bastidor con sus puntos de ubicación para los elementos de la máquina[4]

74

En el trineo se adaptaron dos ruedas que mejoran la movilidad del personal de trabajo. Estas ruedas son ecualizadles para dos posiciones; cada una tiene un pasador con chaveta para mayor seguridad.

Figura 32. Apoyo y posiciones de las ruedas del trineo [4]

El trineo ubica y soporta las bases del malacate provistas de una corredera para tensar las correas, a su vez el trineo posee unas aberturas para alinear axialmente la polea del reductor y el malacate

Figura 33. Apoyos del malacate con sus respectivas correderas [4]

75

4.5.3 Conexión Trípode-Bastidor

El bastidor ofrece el apoyo principal del trípode como anclaje de este mediante bases giratorias y de corredera que mejora el proceso de hincado de pilotes.

Figura 34. Acople entre trineo y trípode con bases giratorias y de corredera [6]

Figura 35. Unión entre el trípode y el bastidor mediante un acople cuadrado [4]

Aquí se resalta la importancia que tuvo el diseño de los elementos de fácil sujeción y de ajuste rápido que brindan al operario mejoras sustanciales en la forma como se realiza esta actividad industrial.

76

4.6 SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL [4]

El sistema eléctrico esta compuesto de una fuente generadora de energía en alterna, una etapa de rectificación y filtración a continua o directa y una etapa de distribución a los puntos de interés. Por otra parte el control esta compuesto por un panel digital con una pantalla LCD y cuatro pulsadores encerradores en una caja industrial.

A continuación se describen las partes y funciones de cada etapa tanto del sistema eléctrico como el de control y del consumidor que en este caso será la bobina del embrague eléctrico:

4.6.1 Transmisión de Potencia del Embrague al Sistema de Carga

Esta se realiza mediante energía eléctrica accionando una bobina de campo estacionario. El embrague utilizado no posee anillos colectores y porta escobillas que mejoran el mantenimiento de este. El embrague se alimenta a un voltaje estándar de 24 V DC con dos conexiones de polaridad únicamente, no dispone de un cable a tierra y sus especificaciones se enuncian en la sección 5.1.2 de este libro.

4.6.2 Componentes Eléctricos y su tecnología

Los componentes principales son un generador de corriente alterna ubicado en el volante del motor Diesel, una fuente o cargador de baterías que rectifica, filtra y mantiene la señal eléctrica y por último una conexión a dos baterías de 12 V en paralelo para obtener en la salida una señal estable de 24 V DC.

Generador de Corriente Alterna:

Este generador emplea el principio de un embobinado fijo y un imán permanente en movimiento que genera una señal alterna variable de acuerdo a las revoluciones del motor.

En principio el generador no suministraba el rango de voltaje deseado para mantener cargadas las baterías, por esta razón se cambio el arrollamiento de las bobinas agregando mayor número de vueltas a cada una de ellas.

77

Figura 36. a) Volante del motor y embobinado b) Embobinado ubicado en el motor[4]

En la figura anterior parte a) se muestra que el imán permanente está ubicado en la cara interior del volante para excitar las bobinas de cobre. El rango inicial de las bobinas fue de 14 a 30 v AC, luego con la mejora que se hizo se logró aumentar el rango de 28,1 a 91 V AC.

Fuente Eléctrica:

Esta dispuesta de una entrada de corriente alterna a frecuencia variable que también se puede conectar a la entrada eléctrica de 110 V AC de uso residencial e industrial. Luego pasa por una etapa de rectificación de señal que incluye protección de sobrevoltages mediante el uso de un conjunto de varistores, después llega a un banco de condensadores que filtran la señal para que se estable y por ultimo pasa por un troceador que es el encargado de entregar siempre una señal constante de 24 V DC en la salida.

78

Figura 37. Fuente eléctrica con sus respectivas baterías en una caja de protección[4]

4.6.3 Componentes Electrónicos y su tecnología

Este sistema de control esta provisto de una caja que contiene un microcontrolador, un temporizador, una fuente interna de alimentación, una pantalla LCD y un juego de pulsadores que se encargan de la operación del microcontrolador y por último unos cables para la conexión a los diferentes puntos de interés.

En sus interior posee un puente rectificador para no tener problemas con la polaridad de entrada, tiene un regulador de 12 V DC para la alimentación de dos interruptores electrónicos abren o cierran el circuito en la salida, también tiene un regulador de 5 V DC para alkimentar la pantalla LCD y el microcontrolador, los relevos para la bobina del embrague y un puerto de programación del micro.

79

Figura 38. Equipo Electrónico para el control de la máquina [4]

1. Subir tiempo. 2. Bajar tiempo. 3. START-STOP. 4. TEST (Pulsador que realiza la misma función que el final de carrera). 5. Cables de Sensor de fin de carrera. (Blanco) 6. Cables de Interruptor para activar bobina. (Azul) 7. Cables de alimentación 24V. (Naranja)

80

Figura 39. Conexiones directas del equipo a la fuente (naranja), a la bobina del

embrague (Azul) y al final de carrera (blanco) [9]

El equipo electrónico es calidad tipo industrial de doble capa, vale la pena resaltar que solo Bucaramanga, Medellín y Bogotá fabrican circuitos con estas especificaciones, los demás circuitos no son muy recomendados para ambientes hostiles.

81

Figura 40. Plano Eléctrico del Equipo Electrónico [9]

U1

PIC

16F

873

MC

LR/V

PP/T

HV

1

RA

0/A

N0

2

RA

1/A

N1

3

RA

2/A

N2/

VREF

-4

RA

3/A

N3/

VREF

+5

RA

4/T0

CKI

6

RA

5/S

S/A

N4

7

GN

D8

OS

C1/

CLK

IN9

OSC

2/C

LKO

UT

10

RC

0/T1

OS

O/T

1CK

I11

RC

1/T1

OSI

/CC

P212

RC

2/C

CP1

13

RC

3/SC

K/S

CL

14

RC

4/S

DI/S

DA

15

RC

5/S

DO

16

RC

6/TX

/CK

17

RC

7/R

X/D

T18

GN

D19

VD

D20

RB

0/IN

T21

RB

122

RB

223

RB

3/P

GM

24

RB

425

RB

526

RB

6/P

GC

27

RB

7/P

GD

28

C11

0.1u

F

Y1

20M

Hz

C1

20pF

C2

20pF

J1 ICS

P PO

RT

12345

B7/P

ICM

CLR

B6/P

IC

PAN

TALL

A LC

D

LCD

1P

anta

lla L

CD

GND 1

VCC 2

CTR3

RS 4

RW 5

E6

D0 7

D1 8

D29

D310

D4 11

D5 12

D6 13

D714AB

15K

B16

MC

LR

K4

Rel

evo_

G7 1

2 6

CO

N1

FUEN

TE

B7/

PIC

VCC

VCC

B6/P

IC

R1

10K

VCC

VCC

D1

1N41

48

1 2

R2

10K

VCC

C3

0.1u

F

-+D2

BRID

GE

1

4

3

2

C4

0.1u

F

CO

N2

SAL

IDA

R3

100

VC

C

Q1

2N22

22

1

2

3

R4

10K

VC

C

D3

1N40

04

12

VCC

R5

10K

VC

C

R6

10K

C12

0.1u

F

SW

3B

OTO

N 1

12V

12V

SW

2B

OTO

N 1

R8

10K

REL

E

SW

1B

OTO

N 1

VCC

R7

10K SW

4BO

TON

1

REL

E

C5

0.1u

F

VC

C

U2

LM78

05

IN1

OU

T3

U3

LM78

12

IN1

OU

T3

+C

610

uF+

C7

10uF

+C

810

uF

C9

0.1u

FC

100.

1uF

K3

Rel

evo_

G7 1

2 6

82

4.7 ANÁLISIS CAD – CAE [4]

A continuación se da una breve descripción con planos de los diferentes elementos diseñados por el autor del proyecto y su director, además se hace una simulación del comportamiento mecánico de estos con sus respectivas cargas y deformaciones máximas encontradas en la simulación.

4.7.1 Simulación de Elementos Diseñados CAE

En este caso se analiza las cargas aplicadas en los puntos más relevantes de la máquina para saber a que esfuerzo esta sometido, cual es su deformación máxima y que factor de seguridad tiene. Los informes y análisis de cada pieza se encuentran en el Anexo C de este libro con las características del material utilizado, cargas aplicadas, información de enmallado de la pieza y todos los valores que genera el programa

EJE DEL MALACATE

Figura 41. Ploteo de Deformación del material

83

Figura 42. Ploteo de Esfuerzo Estático de la Pieza

Figura 43. Ploteo de Desplazamiento de la Pieza

84

Figura 44. Ploteo de Deformación Unitaria de la Pieza

Figura 45. Ploteo de Factor de Seguridad de la Pieza

85

PARTES DEL TRÍPODE



86



87



88



89

4.7.2 Planos

97

5. DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LA MÁQUINA

5.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS [4]

5.1.1 Motor

Potencia: 7,4 kW (10 HP)

Marca: Launtop modelo 186 FS

Velocidad Cigüeñal: 3200-3600 rpm

Velocidad en la Salida del Eje: 1600-1800 rpm

Cilndrada: 406 c.c.

Tipo de Motor: Diesel Monocilíndrico.

Tipo de Eje: Horizontal

Camisa Cilindro: Hierro

Sistema de Alimentación: Inyección

Sistema de Refrigeración: Enfriado por Aire

Arranque: Manual

Peso seco: 48 kg.

5.1.2 Embrague

Tipo: Electromagnético de Bobina Estacionaria

Marca: Warner Electric

Modelo: Embrague Básico SFC-500

Acople: Directamente a Ejes, tanto en la entrada como en la salida

Torque Estático Máximo: 50 lbf-ft

98

Velocidad Máxima: 4000 rpm

Diámetro de Ejes: 0,750-1,250 in (19-31,75 m.m.)

Voltaje Bobina: 24 V. D.C.

Resistencia Bobina @ 20 oC: 14,9 Ω

Corriente Máxima: 1,61 Amperios

Potencia Bobina: 39 Watios

Tiempo de Respuesta (90 % de la Corriente): 85 milisegundos

Tiempo de Caída (10 % de la Corriente): 40 milisegundos

Factor de Seguridad: 4,91

5.1.3 Reductor de Velocidad

Tipo de Reductor: Ejes Paralelos de Engranajes Helicoidales

Relación de Velocidad: 5:1

Factor de Seguridad: 4

Potencia Máxima: 7,4 kW (10 HP)

Diámetro Eje de Entrada: 2,81 cm (1,25 in)

Diámetro Eje de Salida: 3,81 cm (1,5 in)

5.1.4 Transmisión Por Correas en V

Tipo de Poleas: Trapezoidal de doble canal

Diámetro Poleas: 7,5 y 10 in= 19,05 y 25,40 cm, respectivamente

Relación de Velocidad: 1,33:1 (10:7,5)

# de Ramales: 2

Tipo de Correas: B60 Calidad Industrial

99

Distancia entre Centros: 40,64 cm (16 in)

5.1.5 Malacate o Tambor de Arrollamiento

Capacidad de Carga: 80 kgf

Velocidad: 240 - 270 rpm

Velocidad del Bloque de Concreto: 2,64 - 2,97 m/s

Disposición de Cable: 12 m

Diámetro Nominal del Cable: 0,25 in (6,35 m.m.)

Tipo de Cable: 6x19 I.P.S. (Acero Mejorado de Arado), alma de fibra

Resistencia Nominal a la Rotura del Cable: 2480 kgf (24,33 kN)

Factor de Seguridad Cable: 11

Factor de Seguridad Tambor: 7

Tipo Rodamientos (2): SKF 6208, Capacidad Dinámica de 23,6 kN (2406 kgf)

5.1.6 Bastidor o Trineo

Material: Sección Tubular Acerada con revestimiento de tungsteno y Perfil en ángulo de 1 y 3 in.

Elementos que Soporta: Motor, Embrague, Reductor, Malacate, Sistema de control (fuente y temporizador), acople al trípode, soporte de las ruedas y montaje para freno manual (accesorio adicional).

Peso Aproximado: 45 kg

Dimensiones: 210x170x14 cm

100

5.1.7 Trípode

Material: Tubería Acerada y estructural.

Elementos que Soporta: Polea Lisa Motriz, Cable de acero y bloque de concreto.

Capacidad de Carga: 220 kg.

Peso Aproximado: 32 kg

Altura de Trabajo: 3,7-3,82m

Extensión de Parales: desplazamiento de 60 cm

Tubo Principal: 4,1 a 4,7 m

Tubos Secundarios: 4,2 m ± 0,15 m

5.1.8 Polea Lisa del Trípode

Material: Acero Estructural Tubular.

Diámetro Nominal de Polea: 14cm

Capacidad de Carga: 500 kg

Rendimiento: 0,95

Factor de Seguridad: 11

5.2 DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS COMPONETES DE LA MÁQUINA [4]

A continuación se explica brevemente los diferentes sistemas de la máquina con sus características y ventajas:

101

5.2.1 Sistema de Potencia:

El sistema de potencia se compone principalmente de un motor, un embrague, un reductor de velocidad y una transmisión por correa en V.

El motor tiene un magneto generador de corriente alterna, su transformación, protección y filtración eléctrica se realiza mediante un circuito que consigue parametrizar las especificaciones requeridas para alimentar el embrague.

El embrague seleccionado va montado en rodamientos, el torque es transmitido a través de un centro estriado a un adaptador que se fija con pernos a la armadura del embrague, este requiere una alineación precisa en su montaje para evitar desgaste excesivo en sus componentes de fricción y para entregar el torque dado por el fabricante.

El embrague puede operar en condiciones ambientales adversas y posee algo muy característico, elimina los anillos colectores y porta escobillas, muy comunes en este tipo de equipos, esto genera una ventaja ya que el mantenimiento es más sencillo.

La transmisión consta de un reductor de velocidad de ejes paralelos que reduce la velocidad de 5 a 1. El eje de entrada del reductor va conectado al embrague eléctrico y a la salida, a una polea trapezoidal de dos ramales que se conecta al malacate. La reducción hecha por las dos poleas trapezoidales es pequeña, lo que aquí se busca es reducir el choque generado en la conexión y desconexión del embrague, también como medio amortiguador de vibraciones mecánicas producidas por la operación de la máquina.

5.2.2 Sistema de Elevación de Carga

El sistema de carga está compuesto por un malacate o tambor de arrollamiento, una polea lisa motriz, un bloque de concreto, un sombrerete o asiento del pilote y una varilla lisa que se usa como guía del bloque.

El malacate esta hecho de acero C1020 estirado en frío y se caracteriza principalmente por ser muy liviano y muy compacto, además está montado en rodamientos que permite movimientos suaves, disminuyendo las pérdidas por fricción.

102

La polea se caracteriza por su adaptación a cualquier ubicación que requiera el malacate, tiene un gancho que se mueve en los tres planos permitiendo así, un manejo sencillo y práctico.

El bloque de concreto pesa aproximadamente 65 kg y tiene una perforación vertical a lo largo de su eje, se usa para guiar el movimiento con una varilla que va suspendida en el asiento del pilote. Este asiento se usa para amortiguar el golpe producido por el bloque y para evitar deformaciones puntuales en la boca del pilote.

El pilote es un tubo estructural de acero con rangos de diámetro de 2 a 4 pulgadas (5,08 a 10,16 cm respectivamente). Este se utiliza para hacer marcos H para sostenimiento de varias tuberías que transportan petróleo, gas y agua para inyección de pozos en el sector petrolero.

5.2.3 Sistema Estructural

Este sistema está compuesto principalmente por un trineo o bastidor y un trípode. Estos dos marcos son los encargados del sostenimiento de toda la máquina y se inter relacionan con un pivote anclado al trineo.

El trineo es utilizado para el montaje del conjunto motor-embrague-reductor de velocidad y malacate. También soporta los componentes del sistema de control, la opción del freno de mano y el soporte de conexión con el trípode.

El trípode es el encargado de sostener la carga en el punto requerido para hincar los pilotes, sosteniendo la polea lisa para orientación del cable. Con él se consigue una operación rápida, portátil y segura, disminuyendo notablemente el peso de la máquina, en comparación con otros sistemas que no usan trípode.

5.2.4 Sistema de Control y Mando

Este sistema se compone principalmente de una unidad de control que automatiza la operación de la máquina por medio de dos relees, un temporizador, un final de carrera y algunos pulsadores. Estos elementos mantienen una operación uniforme y eficiente aprovechando el cambio de carrera de la máquina, consiguiendo mejorar los tiempos de hincado de un

103

pilote. El armazón que se utilizaba para esta labor, mantenía una carrera constante en toda su operación.

Gracias a este sistema se puede operar la máquina en modo manual o automático, garantizando versatilidad de uso y ante todo seguridad para quien lo opera; también protege la bobina del embrague en caso de una sobrecarga mecánica, causada por atascamiento o bloqueo de una de sus partes. La metodología aplicada mejora la calidad de vida de los trabajadores disminuyendo sus posibilidades de riesgo y/o accidente.

104

6. ANÁLISIS DE COSTOS PRESENTADO A MIPCE LTDA

Bucaramanga, Noviembre 25 de 2007 Proyecto: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINA PARA HINCADO DE PILOTES DE ACERO Análisis de Costos Máquina Motor: 1’500.000= 10 H.P. @ 1800 R.P.M. con Magneto Embrague: 2’320.000= Warner Electric Montado en Rodamientos Reductor: 500.000= Pot. 5 H.P. Relación 5:1 Circuito Electrónico: 360.000= Protección Eléctrica, Calidad Industrial Final de Carrera: 185.000= Siemens Tipo Pesado Electrónica de Potencia: 250.000= Controlador,Caja Protección, Temporizador Polea Lisa: 150.000= Capacidad de Carga 1500 kg Polea 2B de 10” 53.000= Polea del Malacate de dos canales Polea 2B de 7,5” 37.700= Polea del Reductor de dos canales 2 Rodamientos SKF 6208 80.800= Con Sello de Caucho ($75.400 Sello Lata) 2 Correas B70 33.300= Transmisión Reductor‐Malacate Cable de ½” 15.600= 12 metros de Guaya SUBTOTAL: 5’485.400= Estructura: 600.000= Vr. Aproximado Lámina, Acero eje, Tubería Trabajo de Taller: 900.000= Vr. Aproximado Torno, Soldaduras y otros Diseño de Ingeniería: 4’000.000= Diseño Intelectual Máquina TOTAL: $10’985.400=

105

Comparación Económica Hombre‐Máquina Sistema Actual: Armazón

con 4 Hombres Diseño Máquina Moderna con 2 Operarios

Tiempo Hincado x Pareja Tubos

14,8 min=886 segundos 10,0 min= 600 segundos

Tubos Hincados x Día 32 48 Tubos Hincados x Mes 768 1152 Utilidad Económica Máquina Vs. Armazón

• En Tiempo: Por Velocidad de Hincado 1152‐768 = 384 parejas de tubos/mes = 12 días ahorro/mes Como son 2 obreros menos/mes x 12 días ahorro/mes

= 24 días ahorro/mes= Sueldo 1 empleado

• En empleados (Personal Necesario para la Operación): Sueldo 2 Empleados TOTAL AHORRO: 3 Empleados/mes Sueldo Básico de 1 Empleado: $48.000 día TOTAL AHORRO AL DÍA: $48.000 X 3 = $144.000 TOTAL AHORRO AL MES: $144.000 x 24 = $3’456.000 TIEMPO EN QUE SE PAGA LA MÁQUINA: Si su valor Comercial es $10’085.400 Entonces: 10’085.400/3’456.000= 2.92 meses ≈ 3 meses calendario=72 días laborados Caso Real: 5’485.400+300.000= 5’785.400 Entonces: 5’785.400/3’456.000= 1,67 meses ≈ 50 días calendario= 40 días laborados

106

FACTORES DE INVERSIÓN

• Ahorro financiero con implementación de máquina: $3’456.000 cada mes.

• Alta posibilidad de alquiler a otras empresas por su gran respaldo ingenieril.

• Valor Comercial que tendría la máquina: Si se utiliza un servicio de ingeniería, este debe abarcar la Mecánica, Eléctrica y Electrónica, cotizaciones, Diseños preliminares, planos, mantenimiento, entre otros.

• Copia de diseño de proyectos de grado cuando no es implementado por su diseñador.

• Leyes de Ecopetrol: Actualmente existe un proyecto de Ergonomía Jurídica estudiado en el Congreso de la república, que busca implementar la ergonomía en el puesto de trabajo para el sector industrial, en especial sector hidrocarburos.

• Disminución de actividades que generan morbilidad de trabajadores.

107

CONCLUSIONES

Una de las grandes razones para pensar que el proyecto tenía un gran valor fue sin duda una entrevista realizada a la fisioterapeuta Paola Guarín de la Universidad Industrial de Santander quien reiteró la mayoría de actividades de alto riesgo de lesión muscular para los trabajadores mediante esta actividad y que con la máquina se consiguió disminuir en gran medida.

Es muy importante la comunicación con el personal técnico generando un sentido de vinculación como experiencia enriquecedora en mi vida profesional, aplicando la sicología para el diseño; si bien es cierto que la profesión obedece a unas metodologías bien estructuradas, el trabajo en campo encierra y aterriza los conceptos aprendidos en el aula que complementan la formación integral como ingeniero de la UIS.

La seguridad del personal debe ser siempre una de las prioridades de cualquier empresa. Ahora, con esta experiencia, puedo comprobar cómo afecta esto la salud laboral de un trabajador, la disposición en el trabajo y sobretodo el compromiso y las ganas de hacer bien las cosas cuando siente que todo lo que sucede como empleado le interesa a sus jefes, conllevan a que se sienta respaldado y trabaje con más confianza.

El gran sentido de la academia y la industria se fortalecen cuando, en ocasiones, como esta, se superan debilidades o ausencias que antes se tenían, la empresa por modernización, actualización y mejoramiento de sus equipos y la universidad por el compromiso con la sociedad de formar personas competentes con gran sentido de responsabilidad llegando a la fuente del problema para generar ideas creativas que muchas veces no se resuelven por dudar de la capacidad que tenemos como colombianos.

108

Cuando en un diseño existe diseño y construcción, como este, se generan ideas innovadoras a problemas de montaje, costo de materiales, tiempos de entrega de productos, análisis de costos, disposición de elementos complementarios en la región donde se construye y la ingeniería empírica aplicada en una situación bajo la presión del tiempo, y la economía, fueron sin duda aspectos de valiosa importancia que debieron abordarse de la mejor forma.

El aprovechar los recursos de bodega de una empresa, es una muy buena forma de superar los problemas de costos, optimizando el desarrollo empírico de la ingeniería con soluciones creativas ya que en el papel todo se puede y llevarlo a la realidad puede costar demasiado. Por esto es importante aprovechar este tipo de experiencias que maduran, energizan y combinan el conocimiento teórico con el entorno social y económico.

RECOMENDACIONES

111

HOJA DE ADVERTENCIA GENERAL Lea todo el manual antes de instalar u operar el malacate.

112

PRÁCTICAS DE OPERACIÓN SEGURAS

1 Lea todo el manual de aplicación antes de intentar instalar su producto.

2 Lea, entienda y siga todas las instrucciones de esta máquina y del manual antes de la operación.

3 Familiarícese completamente con los controles y el uso apropiado de esta máquina antes de operarla.

4 Guarde este manual en un lugar seguro para referencia futura y regular, y para ordenar piezas de reemplazo.

5 Mantenga el área de operación sin personas alrededor. El desplazamiento involuntario de una carga o la falla deL cable metálico puede causar lesiones serias o la muerte.

6 No desplace el malacate mientras se encuentra bajo carga. Esto podría causar la falla del mismo, resultando en daño, lesiones o muerte y utilice el freno de mano para operar mientras la máquina está prendida.

7 No desplace el malacate de manera repentina. Esto podría causar la falla del mismo, resultando en daño, lesiones o muerte.

8 Siempre use gafas de seguridad o gafas protectoras y guantes durante la operación o mientras realiza ajustes o arreglos.

9 No coloque las manos o pies cerca de las piezas rotativas o cables metálicos en movimiento. El cable metálico bajo tensión puede causar graves lesiones. Antes que los operadores enciendan el malacate, deben verificar que el área que rodea el malacate y la carga que se elevará estén libres.

113

10 No opere el equipo bajo la influencia de alcohol o drogas.

11 Si el equipo respondiera, sonara o vibrara de manera anormal, deténgalo y verifique inmediatamente cuál es la causa. Los sonidos o vibraciones inusuales son, por lo general, una advertencia de que existe algún problema.

12 Si sucede algo que pudiera dañar su malacate (como por ejemplo carga por impacto), debe desarmarse el malacate, inspeccionar si hay daños y repararse antes de volver al servicio.

13 Cuando se necesitan piezas de reemplazo, sólo utilice piezas del mismo tipo.

14 Una vez terminados los servicios o arreglos, opere el equipo antes de usarlo para determinar que el mismo se encuentre en la condición de operación apropiada.

15 Si surgieran situaciones no cubiertas en este manual, use su precaución y buen juicio.

16 No utilice el malacate en situaciones anormales. Sólo debe ser utilizado en la manera especificada.

17 Nunca haga funcionar el malacate sin supervisión. Siempre preste atención al malacate mientras se encuentra en funcionamiento.

CUIDADOS DEL EQUIPO

Cuidados del Cable:

Para un mejor servicio se debe mantener limpio el cable y lubricarlo de vez en cuando. Los ensayos recientes sugieren tener en cuenta el bisulfuro de molibdeno como lubricante.

114

Cuidados del Malacate

Para hacer mantenimiento al malacate se debe tener cuidado de no dañar o doblar las tapas donde están alojados los rodamientos, ya que para desarmar se necesita colocar en la prensa hidráulica.

Cuidados del Trípode:

La única parte de cuidado son las mariposas de sujeción ubicadas en el acople rápido donde se despliegan los tubos, ya que estas tienen roscas y aunque sean de tipo ordinario se debe retirar con cuidado para no dañarlas.

Cuidados del Trineo:

Este es de material muy resistente al desgaste, el único cuidado que hay que tener es con los componentes eléctricos como cables, abrazaderas y canales de protección, lo demás es de fabricación rústica y para trabajo pesado.

Cuidados del Motor:

Se debe tener especial cuidado ya que es un motor Diesel y este requiere más atención que el motor a gasolina. Se debe cuidar el filtro de combustible revisándolo en cada tanqueo para no dejar pasar impurezas y mugre, también es bueno revisar el nivel de aceite y cambiarlo cada 1000 de horas trabajo. Además de esto sería bueno hacer una ficha de uso u hoja de vida para conocer el estado real de trabajo del equipo y superar inconvenientes por falta de mantenimiento.

115

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Montesó, 1956, 295 p.

[2] PARADA C. Alfredo., Fatiga fisura progresiva, Bucaramanga, Colombia,

Editorial La Factoría, 1990, 256 p.

[3] DAS, Braja M., Principios de Ingeniería de Cimentaciones, 4ta Edición,

México, International Thomson Editores, 2001, 862 p.

[4] FONTECHA R, Edwin F., Ingeniero Mecánico UIS, Bucaramanga

Colombia, 2008 [5] HUARTE, Jesús P. Procedimientos de Sondeos. Madrid: Ediciones

J.E.N., 1977, 553 p.

[6] PARADA C. Alfredo., Ingeniero Mecánico UIS, Bucaramanga Colombia. [7] P.O.T., Plan de Ordenamiento Territorial, Alcaldía municipal de Tibú,

Norte de Santander, 2005.

[8] VIJAYVERGIYA, V. N., and FOUCHT, J. A., Jr. Un Nuevo método para

Predecir Capacidad de Pilotes en Arcilla (Offshore Technology Conference

Paper 1718), 4ta Conferencia de Tecnología, Houston, 1972.

[9] INDUSTRIAS AZ., Bucaramanga, Colombia, 2008.

116

[10] ROJAS GARCÍA, Hernán, Diseño De Máquinas II; Bucaramanga,

Ediciones Universidad Industrial de Santander, 1984.

[11] DEUTSCHMAN, Aaron, Diseño de Máquinas: Teoría y Práctica, 6ta

Reimpresión, México, Compañía Editorial Continental S.A., 1995.

[12] JUVINALL, Robert C., Fundamentos de Diseño para Ingeniería

Mecánica, México, Limusa Noriega Editores, 1993, 821p.

[13] KIMBALL, Dexter S., Construcción de Elementos de Máquinas, México,

Unión Tipográfica Editorial Hispanoamericana “UTEHA”, 1974.

[14] NIEMANN, G. Tratado Teórico – Práctico de elementos de máquinas

(Cálculo, diseño y construcción), Barcelona, Editorial Labor S.A., 1967.

[15] ROJAS GARCÍA, Hernán, Trenes de Engranajes; Mecánica de

Máquinas, Bucaramanga, Ediciones Universidad Industrial de Santander,

1984.

[16] AVILÉS, Rafael, Análisis de Fatiga en máquinas, España, Thomson

Editores Spain Paraninfo, 2005.

[17] MEYERHOF, G.G. “Capacidad de Carga y Sedimentación de Pilotes”.

Publicación del Journal of the Geotechnical Engineering Division. Sociedad

Americana De Ingenieros Civiles. Vol. 102. No. GT3. 1976.

[18] WARNER ELECTRIC, Basic Design Clutches And Brakes 800–234-

3369, 2007

117

ANEXOS

118

ANEXO A: COTIZACIONES Y FACTURAS DE

COMPRA

128

ANEXO B: CATÁLOGO EMBRAGUE ELÉCTRICO

130

ANEXO C: INFORME TÉCNICO DE SIMULACIÓN CAE (COSMORWORKS 2006) Análisis de tensiones de Eje Tambor

Autor: EDWIN FONTECHA Empresa: MIPCE LTDA

Fecha: 28 DIC 2007 MATERIALES

Nº Nombre de pieza Material Masa Volumen

1 Eje Tambor Acero aleado

3.02216 kg

0.000392488 m^3

PROPIEDAD DEL ESTUDIO

Información de malla Tipo de malla: Malla con elementos sólidos tetraédricos Mallador utilizado: Estándar Transición automática: Desactivar

Superficie suave: Activar Verificación jacobiana: 4 Points

Tamaño de elementos: 6.4115 mm

Tolerancia: 0.32058 mm Calidad: Alta Número de elementos: 13598

Número de nodos: 20797

Información del solver Calidad: Alta Tipo de solver: Solver tipo FFEPlus Opción: Incluir efectos térmicos Opción térmica: Introducir temperatura

Opción térmica: Temperatura de referencia a deformación unitaria cero: 298 Kelvin

131

RESULTADOS DE ESFUERZOS

Nombre Tipo Mín. Ubicación Máx. Ubicación

Plot1 VON: Tensiones von Mises

75963.4 N/m^2 Nodo: 1085

(0 mm, 1.52582e-008 mm, 0.0143203 mm)

7.38784e+007 N/m^2 Nodo: 20599

(220 mm, -1.74846e-006 mm, -20 mm)

RESULTADOS DE DEFORMACIONES UNITARIAS


Plot1

ESTRN: Deformación unitaria equivalente

2.7084e-007 Elemento: 8655

(3.29067 mm, 0.00125432 mm, 0.0123603 mm)

0.000281649 Elemento: 2696

(218.75 mm, 1.47711 mm, 20.8 mm)

RESULTADOS DE DESPLAZAMIENTOS


Plot1 URES: Desplazamientos resultantes

0 m Nodo: 337

(0 mm, 15.5885 mm, 9 mm)

6.35635e-005 m Nodo: 146

(310 mm, 19.0788 mm, 6 mm)

RESULTADOS DE DEFORMADAS

Nº de trazado Factor de escala 1 502.97

132

RESULTADOS DE VERIFICACIÓN DE DISEÑO

DISTRIBUCIÓN DE FACTOR DE SEGURIDAD FDS MÍN. =8,4

APÉNDICE

Nombre de material: Acero aleado

Descripción:

Origen del material: Archivos de biblioteca

Nombre de biblioteca de materiales: solidworks materials

Tipo de modelo del material: Isotrópico elástico lineal

Nombre de propiedad Valor Unidades Tipo de valor

Módulo elástico 2.1e+011 N/m^2 Constante Coeficiente de Poisson 0.28 NA Constante Módulo cortante 7.9e+010 N/m^2 Constante Densidad 7700 kg/m^3 Constante Límite de tracción 7.2383e+008 N/m^2 Constante Límite elástico 6.2042e+008 N/m^2 Constante Coeficiente de dilatación térmica 1.3e-005 /Kelvin Constante

Conductividad térmica 50 W/(m.K) Constante Calor específico 460 J/(kg.K) Constante

133

Análisis de tensiones de Tubo Principal Mejorado

INFORMACIÓN DE CARGAS Y RESTRICCIONES

Restricción Restricción-1 <Tubo Principal Mejorado>

activar 2 Cara(s) fijo.

Descripción:

Carga Fuerza-1 <Tubo Principal Mejorado>

activar 1 Cara(s) aplicar fuerza normal 1570 N utilizando distribución uniforme

Carga secuencial




23362.9 N/m^2 Nodo: 12140

(-281.508 mm, -2700.33 mm, -8.5505 mm)

3.44041e+007 N/m^2 Nodo: 4994

(-7.31488 mm, -37.538 mm, 8.5505 mm)



Plot1


9.50301e-008 Elemento: 13726

(286.234 mm, -2789.58 mm, -8.44911 mm)

0.00011449 Elemento: 7230

(-8.42436 mm, -36.0876 mm, 7.22149 mm)

134

Análisis de tensiones de Tubo 2 (Derecha) Mejorado




28.2834 N/m^2 Nodo: 725

(-21.9601 mm, 280.105 mm, 14.597 mm)

6.327e+006 N/m^2 Nodo: 22626

(5.95284 mm, -2722 mm, -22.2163 mm)

Resultados de deformaciones unitarias


Plot1


1.31818e-010 Elemento: 440

(7.42654 mm, 294.103 mm, 19.692 mm)

1.35168e-005 Elemento: 12546

(-6.70064 mm, -2721.52 mm, -21.2692 mm)




0 m Nodo: 3187

(19.9186 mm, -2722 mm, -11.5 mm)

0.00115035 m Nodo: 168

(4.04256e-014 mm, 306.805 mm, 21.1223 mm)

135

Análisis de tensiones de Tubo 2 Abajo




13929.1 N/m^2 Nodo: 1190

(2 mm, 1360 mm, 54.9333 mm)

7.47919e+007 N/m^2 Nodo: 909

(-0.622912 mm, -98.1764 mm, -2.32474 mm)



Plot1


4.25914e-008 Elemento: 760

(-5.75 mm, 1349.55 mm, 42.3053 mm)

0.000258943 Elemento: 570

(-0.155814 mm, -97.5757 mm, -2.43644 mm)




0 m Nodo: 25

(2.94732e-016 mm, -98.1764 mm, 2.40675 mm)

0.000359347 m Nodo: 4880

(-10.2606 mm, 1400 mm, -28.1908 mm)

136

RESULTADOS DE DEFORMADAS

Nº de trazado Factor de escala 1 417.8

Análisis de tensiones de Tubo Principal Abajo




13340.2 N/m^2 Nodo: 14419

(54.9333 mm, 1310 mm, 2 mm)

3.74785e+006 N/m^2 Nodo: 5153

(-12.2021 mm, 1350 mm, 27.4064 mm)



Plot1


1.58805e-007 Elemento: 7489

(43.4537 mm, 1301.64 mm, -4.5 mm)

1.20381e-005 Elemento: 4160

(-13.2427 mm, 1346.34 mm, 25.7788 mm)




0 m Nodo: 487

(3.4289e-015 mm, 0 mm, -28 mm)

1.75246e-005 m Nodo: 1353

(-25.9808 mm, 1350 mm, 15 mm)

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